Concevoir pour l’adaptabilité

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L’aspect essentiel de la construction circulaire consiste à utiliser les bâtiments le plus longtemps possible. Pour y parvenir, ils doivent présenter une durée de vie élevée. Cela suppose avant tout une grande capacité d’adaptation, afin de répondre à l’évolution des besoins des utilisateurs et aux nouvelles exigences sociétales. On évite ainsi les démolitions prématurées et la vacance immobilière excessive. L’adaptation des bâtiments génère moins de déchets, réduit la consommation de matières premières, limite la demande énergétique et diminue les impacts environnementaux. L’adaptabilité est donc devenue une nécessité pour un environnement bâti durable. Construire de manière adaptable implique toutefois un changement de culture de conception. Il s’agit d’adopter une vision dans laquelle les bâtiments sont conçus dès l’origine pour être transformés aisément tout au long de leur cycle de vie. Dans une approche circulaire, la conception pour l’adaptabilité va de pair avec la conception pour le démontage. [1] Il est en effet indispensable de prévoir également des scénarios pertinents lorsque l’ouvrage atteint la fin de sa durée d’exploitation. Nous y reviendrons dans une prochaine édition de BETON. Le présent article approfondit la conception pour l’adaptabilité à travers une étude de cas particulièrement intéressante.

La littérature consacrée à l’amélioration de l’adaptabilité des bâtiments est abondante. Elle identifie plusieurs facteurs de conception favorisant cette adaptabilité, brièvement présentés ci-après. [2]

  1. Conception en couches de durée de vie :

Les composants présentant des durées de vie différentes doivent être organisés en couches indépendantes, afin de pouvoir être remplacés séparément. Les éléments de façade doivent par exemple 
être dissociés des éléments structurels (poutres et colonnes).

  1. Accès à l’information :

Des données précises sur l’état as-built et in situ d’un bâtiment facilitent les adaptations et réduisent les risques pour les concepteurs. Le Building Information Modelling (BIM) constitue à cet égard un outil puissant qui, combiné aux passeports matériaux et produits, deviendra la source de données numérique du bâtiment.

  1. Capacité de réserve :

Des éléments porteurs dotés d’une réserve de capacité résistent mieux aux dommages et permettent d’anticiper des changements d’affectation impliquant des charges d’exploitation plus élevées. La prévision d’une hauteur d’étage supplémentaire constitue une autre mesure efficace. Cette réserve de hauteur peut être mobilisée tant lors d’un changement de fonction que lors d’une adaptation des techniques du bâtiment.

  1. Assemblages mécaniques :

Le recours à des connexions mécaniques facilite le démontage et l’ajout de composants au cours du cycle de vie. Divers systèmes permettent, par exemple, de relier mécaniquement des panneaux de façade ou des poutres en béton à des colonnes en béton.

  1. Accessibilité :

La durée de vie des techniques spéciales est plus courte que celle des éléments structurels. Afin de simplifier leur remplacement, elles doivent rester accessibles, par exemple via un faux plafond ou un plancher surélevé. Les assemblages entre éléments porteurs doivent eux aussi rester accessibles afin de permettre leur dépose si nécessaire.

  1. Matériaux appropriés :

La durabilité de la structure porteuse est déterminante pour garantir la longévité du bâtiment. Elle se caractérise notamment par la résistance aux agressions extérieures (gel, carbonatation, pénétration des chlorures), au vieillissement et aux situations accidentelles. La qualité des produits livrés joue ici un rôle majeur.

  1. Simplicité de conception :

Un système structurel simple permet aux ingénieurs de comprendre rapidement quels éléments sont essentiels à l’intégrité structurelle en cas de transformation. La modularité et la standardisation y contribuent fortement.

  1. Espaces ouverts :

Des plateaux libres de contraintes structurelles autorisent une reconfiguration aisée des espaces sans incidence sur la structure existante, au moyen de cloisons légères non porteuses.

En 2019, Dr-Ing. Christopher Kämereit a analysé comment accroître l’adaptabilité d’un bâtiment en étudiant plusieurs variantes constructives pour une tour urbaine typique. [3] Le bâtiment de référence est un immeuble de bureaux traditionnel comprenant cinq niveaux hors sol et un niveau en sous-sol (Fig. 1). Le sous-sol accueille les techniques et des espaces de stockage. Afin de limiter la consommation énergétique en phase d’exploitation, une forme compacte a été retenue, avec une surface d’enveloppe réduite par rapport au volume. Il en résulte un bâtiment de 45 m de long sur 15 m de large, pour une hauteur de 16 m au-dessus du niveau du sol. La hauteur utile des étages (hors plancher porteur) est de 2,95 m. La charge d’exploitation des planchers est fixée à 3,0 kN/m². Pour permettre un aménagement flexible des étages, une ossature en béton a été choisie, dont la stabilité horizontale est assurée par deux noyaux rigides situés aux extrémités (Fig. 2). Chaque noyau intègre escaliers, gaine d’ascenseur et deux gaines techniques. L’entraxe longitudinal est de 5,0 m. La présence de colonnes intérieures pour limiter les portées reste économiquement justifiée. Afin d’aménager un couloir central, les colonnes sont disposées de manière asymétrique dans le sens transversal, générant des portées de 6,1 m et 8,9 m. Le plancher porteur est un plancher­-dalle à tous les étages. [3] Il s’agit d’une dalle en béton armé soutenue ponctuelle­ment par des colonnes, sans la présence de poutres porteuses. Cette solution peut être réalisée efficacement au moyen de prédalles.

Dans la variante 1, le bâtiment peut accueillir, outre des bureaux, des fonctions hôtelières et résidentielles (Fig. 1). La hauteur libre est fixée à 2,75 m, permettant aussi bien des bureaux cellulaires que des espaces combinés ou paysagers. Un faux plafond de 40 cm et un plancher technique de 15 cm sont prévus, portant la hauteur utile à 3,30 m. Cette réserve constitue un compromis entre flexibilité d’usage et maîtrise de la surface de façade. Les charges d’exploitation, le type de plancher et la trame restent identiques au bâtiment de référence. Pour l’affectation résidentielle, certaines pièces peuvent manquer d’éclairage naturel selon le plan. La durée de vie retenue pour le bâtiment de référence et la variante 1 est de 50 ans. [3]

Dans la variante 2, l’adaptabilité est au cœur du concept. La durée de vie cible de la structure est portée à 100 ans. Le potentiel de reconversion inclut les fonctions commerciales et le stationnement (Fig. 1). 
Le rez-de-chaussée et le premier étage sont préparés pour un usage commercial, avec possibilité d’un foyer sur double hauteur. Le sous-sol peut être intégré à la surface commerciale ou aménagé en parking. Le bâtiment doit également pouvoir être surélevé d’un ou deux niveaux sans intervention lourde sur la structure primaire. [3]

Les deuxième, troisième et quatrième niveaux (zone I) reposent sur une ossature similaire à celle du bâtiment de référence. Les planchers sont composés de dalles alvéolées reposant sur des poutres en béton préfabriqué orientées longitudinalement afin d’éviter les conflits avec les techniques (Fig. 2). Les portées sont de 5,8 m et 8,6 m. La charge d’exploitation est de 3,0 kN/m², augmentée de 0,8 kN/m² pour les cloisons. Les dalles alvéolées de 26 cm ne reçoivent pas de dalle de compression. Le comportement diaphragme est assuré par l’armature des joints et un chaînage périphérique. Une bande centrale de 3,0 m de large est dimensionnée pour 6,0 kN/m² afin d’accueillir archives, bibliothèque ou équipements lourds. La hauteur utile y est de 3,3 m. Des trémies peuvent être créées aisément via des chevêtres, permettant notamment des duplex. [3]

Le rez-de-chaussée et le premier étage (zone II) sont conçus sans colonnes intérieures. Les hauteurs utiles sont respectivement de 4,1 m et 3,3 m. La charge d’exploitation des planchers supérieurs est de 5,0 kN/m². La structure adopte un système mixte acier-béton composé de poutres mixtes, poutres acier, colonnes mixtes et dalles en béton. La poutre mixte au-dessus du premier étage reprend les charges des colonnes de la zone I et atteint 80 cm de hauteur. La dalle de 24 cm peut être réalisée en prédalles. Au-delà de trois niveaux supérieurs, ce concept atteint ses limites; une structure sans colonnes intérieures (variante 3) ou des poutres intégrées dans un étage technique constituent alors des alternatives. Au rez-de-chaussée, des poutres acier de 64 cm combinées à des dalles alvéolées de 4,9 m, sans clavetage ni dalle de compression, permettent de retirer aisément des éléments, voire une large zone, y compris les poutres. Le plancher ne participe toutefois pas au contreventement horizontal. Les colonnes sur deux niveaux sont dimensionnées pour transmettre les efforts horizontaux vers les planchers adjacents, en tenant compte d’un doublement de la longueur de flambement en cas de suppression des poutres. Ces colonnes sont réalisées en profils métalliques enrobés de béton. Des réservations importantes dans les poutres de la zone I facilitent l’intégration des techniques sous dalle. [3]

Pour pouvoir réaliser un garage dans le sous-sol de la variante 2 ou pour rendre cet étage accessible à un usage commercial, sans utiliser les escaliers ou les ascenseurs dans les noyaux rigides, la possibilité est créée d’ouvrir une partie du sol au-dessus du sous-sol. Le sol est conçu comme un plancher en poutres en béton (entraxe des poutres de 5,0 m). [3] La dalle peut être exécutée en prédalles ou en dalles alvéolées.

La variante 2 peut être étendue avec un étage complet, deux étages complets ou un étage complet et un étage en retrait par le biais d’une construction autoportante qui porte dans la direction transversale de façade à façade (Fig. 4). Les niveaux en retrait favorisent la création de terrasses généreuses. La structure primaire est dimensionnée pour ces charges additionnelles. Pour un niveau supplémentaire, la charge d’exploitation est de 3,0 kN/m², compatible avec un bureau, une toiture végétalisée ou une terrasse avec horeca. Pour une extension de deux étages, on tient compte d’une catégorie de charge inférieure (charge variable 2,0 kN/m²). Des mesures complémentaires sont requises, notamment pour la stabilité horizontale des noyaux et les gaines techniques. Lors de l’extension avec deux étages, la limite de hauteur de 25 m est dépassée. Selon la législation sur la sécurité incendie, la conception doit donc tenir compte des éventuelles obligations supplémentaires pour les bâtiments de grande hauteur. [3] Tous les éléments porteurs doivent alors satisfaire à une résistance au feu R 120. [4]

La variante 3 supprime les colonnes intérieures (Fig. 1), maximisant la flexibilité d’aménagement. Les planchers sont constitués de poutres mixtes avec réservations et de dalles en béton, par exemple en prédalles. Cette solution entraîne une hauteur structurelle plus importante. Les ouvertures ultérieures restent toutefois limitées du fait de la collaboration acier-béton. [3] Une alternative consiste en des dalles alvéolées précontraintes de 40 cm avec une dalle de compression de 6 cm, portant de façade à façade (≈ 15 m). [5] Un faux plafond de 40 cm peut être prévu pour les techniques, pour une hauteur globale comparable à la solution mixte.

Dr-Ing. Christopher Kämereit démontre l’impact positif des concepts modulaires adaptables sur l’empreinte environnementale. La construction d’un bâtiment adaptable génère davantage d’émissions de gaz à effet de serre (GWP – Global Warming Potential). Par rapport à la variante 1, la variante 2 affiche environ 16 % d’émissions supplémentaires, principalement dues à l’augmentation de la masse structurelle. La variante 3 nécessite une augmentation supplémentaire de la masse de construction. En comparaison avec la variante 1, le GWP augmente d’environ 27 %. Cependant, lorsque le GWP est rapporté à la durée de vie, le potentiel devient évident. Le surcoût environnemental de la variante 2 est compensé après huit années de prolongation (Fig. 5). Avec une durée de vie de 100 ans, elle réduit le GWP d’environ 42 % par rapport à la variante 1. Pour la variante 3, le point d’équilibre est atteint après quatorze ans, et la réduction à 100 ans avoisine 37 %. [3]

Cette étude de cas illustre clairement le potentiel des bâtiments conçus pour une longue durée d’exploitation et une forte adaptabilité. Les principes techniques et conceptuels sont de mieux en mieux maîtrisés. Reste à garantir que ce potentiel soit effectivement exploité sur toute la durée de vie. Comment inciter maîtres d’ouvrage et propriétaires à investir dans des structures prêtes pour des reconversions futures, alors que les bénéfices immédiats sont limités ? Comment démontrer objectivement la valeur ajoutée de cette approche ? Il convient en outre d’évaluer l’impact environnemental au-delà du seul GWP. Seule une analyse du cycle de vie complet, intégrant un ensemble large d’indicateurs, permet une comparaison équilibrée des matériaux et concepts constructifs. La dynamique vers la conception adaptable est engagée. À mesure que les solutions techniques se perfectionnent, une opportunité majeure s’ouvre pour ancrer durablement, dans les processus décisionnels, les avantages de cette approche résolument tournée vers l’avenir. [BHE]

Références

[1]Adaptability of Buildings – A Critical Review on the Concept Evolution, Askar et al., 2021.
[2] Enabling adaptable buildings: Results of a preliminary expert survey, Ross et al., 2016.
[3] Zur Rolle der Konstruktion in der nachhaltigen Gebäudeplanung, Christopher Kämereit, TU Dortmund, 2019.
[4] Arrêté Royal du 20 mai 2022, « Normes de base en matière de prévention des incendies ».
[5] Brochure Dalles alvéolées, FEBE, 2020.