Grands chantiers : l’Arch_Tec_Lab est un bassin d’essai pour la production architecturale automatisée

Par Zach Mortice
- 11 Oct 2016 - 7 min De Lecture
Le laboratoire de production automatisée de l’Arch_Tec_Lab de Zurich, en Suisse. Avec l’aimable autorisation d’Andrea Diglas/ITA/Arch_Tec_Lab

Depuis plus de 50 ans, les scientifiques, les chefs d’entreprises et même les producteurs de cinéma nous assurent que l’avenir est à la robotisation. Dans le secteur du bâtiment, leurs prophéties se vérifient. Toutefois, en ce qui concerne la production architecturale automatisée, les chercheurs de l’Arch_Tec_Lab de Zurich, en Suisse, ont une longueur d’avance.

Un laboratoire de production automatisée (Robotic Fabrication Laboratory ou RFL) a été inauguré le mois dernier à l’Institut fédéral de technologie de Zurich (ETHZ). Ses recherches portent essentiellement sur l’architecture, mais les produits et les prototypes qui sortiront de cette colossale aire de production ne seront pas seulement des installations ou des éléments construits à l’échelle de l’architecture.

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Vue nord-ouest de l’étage des professeurs de l’Arch_Tec_Lab et du laboratoire de production automatisée. Avec l’aimable autorisation d’Andrea Diglas/ITA/Arch_Tec_Lab.

En effet, l’Arch_Tec_Lab se spécialise dans la création de procédés de production automatisée qui pourraient faire de ce centre de recherche l’incubateur de nouveaux concepts architecturaux, ainsi que dans le développement des méthodes de construction et des technologies qui seront nécessaires pour les construire.

Dans le même complexe sont aussi logés l’Institut de Technologie en Architecture (ITA) et le département de production numérique du Centre national suisse de compétence en recherche (NCCR), un projet national de recherche regroupant des professeurs et des chercheurs de l’ITA, ainsi que des experts d’autres instituts et universités suisses.

La mission du centre est d’utiliser les études effectuées dans les domaines du calcul, des systèmes de construction-assemblage et des matériaux, en particulier celles qui concernent la production numérique automatisée, pour apporter des innovations à l’architecture et au bâtiment.

Le RFL, au premier étage de l’Arch_Tec_Lab, constitue une échelle nouvelle pour la recherche architecturale. D’une surface de 45 m par 17, suffisamment haut (6 m) pour assembler des structures de deux étages, il constitue essentiellement un énorme bassin de test pour l’assemblage automatisé.

« Dans le domaine de l’architecture et du bâtiment, il s’agit de l’espace le plus vaste et le plus évolué au monde », souligne Russell Loveridge, directeur général du département de production numérique du NCCR.

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Le portique de manutention équipé de robots industriels du laboratoire de production automatisée. Avec l’aimable autorisation d’Andrea Diglas/ITA/Arch_Tec_Lab.

Dans le bassin du laboratoire, quatre bras manipulateurs pendent du plafond et sont reliés à deux portiques indépendants, ce qui permet d’utiliser toute la surface de l’atelier pour des tests à l’échelle 1. Tournoyant au-dessus, ces robots peuvent se déplacer du plafond jusqu’au sol, poser et fixer des éléments de construction, manipuler des matériaux, ou mesurer des prototypes achevés. Seuls les chantiers navals et l’industrie aérospatiale disposent de robots de dimensions comparables.

L’atelier possède quatre grandes entrées, permettant l’accès de semi-remorques, de sorte que les seules limites à la taille d’un projet sont les dimensions du bâtiment. « Quand on entre dans l’atelier, ça ressemble à un entrepôt vide », explique Matthias Kohler, professeur d’architecture et de production numérique à l’ETHZ et directeur du département de production numérique du NCCR. « Aucun indice ne nous renseigne sur sa fonction. »

Il appelle ce laboratoire « l’usine du futur ». Aux antipodes des notions du XXe siècle qui se fondaient sur le modèle fordiste de la chaîne séquentielle de production, l’espace promet une liberté de production infinie et des spécifications sans limites. Grâce à la gamme de mouvements des 40 axes de rotation disponibles, les éléments constructifs, les matériaux ou les outils peuvent être hissés et positionnés à n’importe quel endroit dont les coordonnées spatiales sont comprises dans le volume. L’action coordonnée des robots fait de la fabrication un processus entièrement tridimensionnel où les éléments peuvent être assemblés dans des matrices complexes au lieu d’être superposés selon des trajets bidimensionnels.

Parmi les projets de recherche du laboratoire figure le projet de blocage granulaire Rock Print de Gramazio Kohler Research (en collaboration avec Skylar Tibbits du MIT). D’autres projets étudieront les façons de créer des formes complexes en béton sans coffrage, ce qui réduirait les coûts et éliminerait les déchets de chantier. Matthias Kohler étudie également comment assembler de petites lamelles de bois en éléments structurels assemblés par automatisation, un projet déjà été testé à l’Arch_Tec_Lab.

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Matthias Kohler (à gauche) et Fabio Gramazio sous la voûte de l’Arch_Tec_Lab, conçue numériquement et produite par des robots. Avec l’aimable autorisation de Gramazio Kohler Recherche.

Clin d’œil numérique, Matthias Kohler et son associé, Fabio Gramazio, ont légitimé la raison d’être du RFL en lui imaginant un plafond dont la réalisation nécessitait une production automatisée. Coupés à la scie circulaire automatisée, les 48 000 lattes de bois ont été assemblées par un robot conçu et assemblé pour l’occasion, afin de réaliser la topographie ondulante du plafond. Vu la nature minimaliste de l’Arch_Tec_Lab, qui rappelle l’esthétique Bauhaus, leurs fermes en bois, qu’ils nomment « plafond séquentiel », constituent l’aspect le plus impressionnant du bâtiment, combinant la séquestration écologique du CO2 avec des techniques innovantes de fabrication.

Dans le monde de l’architecture fabriquée numériquement, il existe deux camps : la robotique industrielle et les imprimantes 3D. Le département de production numérique du NCCR cherche le moyen de réconcilier ces technologies, pour qu’elles se complètent au lieu de se concurrencer.

Pour Matthias Kohler, « Elles ont toutes deux des avantages et des inconvénients, mais la frontière commence à s’effacer ». Par exemple, les concepteurs montent des imprimantes 3D sur des bras manipulateurs de portique. Compte tenu des dimensions et de la flexibilité du RFL, il est probable que ce sera un espace idéal pour découvrir de nouvelles manières de combiner ces technologies disparates.

Bien que les applications où le RFL peut offrir le plus d’avantages semblent être dans le domaine de la manutention lourde, l’équipe de l’atelier étudiera aussi les logiciels de contrôle et la programmation qui permettent d’indiquer à ces machines ce qu’elles doivent effectuer.

Matthias Kohler indique que la voie à suivre pour ce type de recherche consiste à développer des systèmes de contrôle plus intuitifs, en améliorant l’expérience de l’utilisateur et par là, stimuler sa motivation à programmer des robots. D’autres domaines de recherche traitent de l’intégration de l’Internet des objets dans l’industrie : des capteurs perfectionnés sont utilisés pour collecter des données spatiales, chimiques ou même tactiles, comme des manipulateurs qui permettent aux robots de percevoir et de réagir en temps réel à différents types de matériaux de construction.

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Le bâtiment de l’Arch_Tec_Lab et son plafond séquentiel. Avec l’aimable autorisation d’Andrea Diglas/ITA/Arch_Tec_Lab.

L’un des projets en cours permet aux robots de balayer des objets aux formes irrégulières, puis d’utiliser le calcul de cette forme pour construire des structures aux formes prédéfinies. Les objets en question peuvent être des pierres, des déchets de chantier ou des décombres dont « vous ne connaissez pas la forme tant que vous ne les tenez pas dans la main », commente Matthias Kohler.

Depuis des décennies, on utilise les robots industriels pour assembler les petits composants des puces d’ordinateur ou les pièces de voitures, mais les expériences à grande échelle du RFL peuvent introduire dans l’architecture un niveau de sophistication et de complexité tout à fait nouveau, en construisant des bâtiments plus grands et plus complexes grâce à des éléments fabriqués sur mesure.

Matthias Kohler et Russell Loveridge se disent très enthousiastes à l’idée d’utiliser le laboratoire pour des « grands chantiers » et l’année prochaine, ils l’utiliseront pour construire une structure à plusieurs étages, un nouveau module résidentiel qui sera installé sur le bâtiment NEST des Laboratoires fédéraux suisses de science et de technologie des matériaux (Empa).

« Notre but est de fabriquer un module avec des robots, aux dimensions d’une maison de deux étages, explique Russell Loveridge. Les robots de cette taille n’ont pas encore été utilisés pour la recherche architecturale. Du coup, nous disposons soudain de capacités qui n’existaient pas auparavant : elles concernent les dimensions, l’échelle, la complexité de l’interaction synchronisée de plusieurs robots et celle de l’homme avec la machine ».

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