De nouvelles recherches suggèrent que la construction d’un bâtiment simple à partir de sous-unités emboîtables serait mécaniquement réalisable et aurait une empreinte carbone beaucoup plus faible.
Selon une nouvelle étude menée par des chercheurs du MIT, l’assemblage robotisé de blocs de construction pourrait constituer une méthode plus respectueuse de l’environnement pour ériger des structures à grande échelle que certaines techniques de construction existantes.
L’équipe a mené une étude de faisabilité pour évaluer l’efficacité de la construction d’un bâtiment simple à l’aide de « voxels », qui sont des sous-unités 3D modulaires s’assemblant en structures complexes et durables.
Après avoir étudié les performances de plusieurs voxels, les chercheurs ont mis au point trois nouveaux modèles destinés à simplifier la construction de bâtiments. Ils ont également conçu un assembleur robotisé et une interface utilisateur conviviale permettant de générer des plans de bâtiments à base de voxels et de transmettre des instructions aux robots.
Leurs résultats indiquent que ce système d’assemblage robotisé à base de voxels pourrait réduire l’empreinte carbone (tout le carbone émis durant le cycle de vie des matériaux de construction) jusqu’à 82 %, comparativement à des techniques courantes comme l’impression 3D béton, le béton préfabriqué modulaire et les ossatures métalliques. Le système serait également compétitif en termes de coût et de délai de construction. Toutefois, le choix des matériaux utilisés pour fabriquer les voxels influe considérablement sur leur empreinte carbone et leur coût.
Bien que l’évolutivité, la durabilité, la robustesse à long terme et des considérations importantes comme la résistance au feu restent à explorer avant qu’un tel système puisse être largement déployé, les chercheurs affirment que ces premiers résultats soulignent le potentiel de cette approche pour la construction automatisée sur site.
« Je suis particulièrement enthousiaste quant à la manière dont l’assemblage robotisé de réseaux discrets peut permettre une application pratique de la fabrication numérique à l’environnement bâti, ce qui nous permettra de construire de manière beaucoup plus efficace et durable », déclare Miana Smith, étudiante diplômée du Centre pour les bits et les atomes (CBA) du MIT et auteure principale de l’étude.
Elle est accompagnée dans cet article par Paul Richard, doctorant à l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) en Suisse et ancien chercheur invité au MIT ; Alfonso Parra Rubio, doctorant au CBA ; et Neil Gershenfeld, professeur au MIT et directeur du CBA, qui en est l’auteur principal. Ces travaux de recherche sont publiés dans la revue Automation in Construction .
Concevoir de meilleurs éléments de construction
Au cours des dernières années, les chercheurs du Centre pour les bits et les atomes ont développé des voxels, qui sont des éléments de base structurés en treillis pouvant être assemblés en objets à haute résistance et rigidité , comme des ailes d’avion, des pales d’éoliennes et des structures spatiales.
« Ici, nous appliquons les principes de l’aérospatiale au bâtiment. Pourquoi ne pas construire des bâtiments aussi efficacement que des avions ? », déclare Gershenfeld, en se basant sur les travaux antérieurs menés par son laboratoire sur l’assemblage de voxels avec la NASA, Airbus et Boeing.
Pour explorer la faisabilité des stratégies d’assemblage basées sur les voxels pour les bâtiments, les chercheurs ont d’abord évalué les performances mécaniques et la durabilité de huit conceptions de voxels existantes, dont un cuboctaèdre en nylon renforcé de verre et un réseau Kelvin en acier.
À partir de ces évaluations, ils ont mis au point un ensemble de trois voxels utilisant une nouvelle géométrie, plus facile à assembler par robot en une structure plus grande. Cette nouvelle conception, basée sur un réseau octet à haute résistance et haute rigidité, s’auto-aligne mécaniquement pour former des structures rigides.
« La nature imbriquée de ces voxels nous permet d’obtenir de bonnes propriétés mécaniques sans avoir besoin de nombreux connecteurs dans le système, ce qui accélère considérablement le processus de construction », explique Smith.
Pour accélérer la construction, ils ont conçu un système d’assemblage robotisé basé sur des robots de type chenille qui se déplacent sur une structure voxel en s’ancrant et en étendant leur corps. Ces robots assembleurs modulaires de type chenille, ou MILAbots, utilisent des pinces à chaque extrémité pour placer les blocs de construction voxel et réaliser des connexions par encliquetage.
« Les robots peuvent assembler les voxels en les déposant à leur emplacement, puis en marchant dessus pour que les pièces s’emboîtent. Nous pouvons effectuer des manœuvres précises grâce à la relation mécanique entre les robots et les voxels », explique Smith.
L’équipe a étudié l’empreinte carbone nécessaire à la fabrication de leurs nouveaux modèles voxel à partir de trois matériaux : plastique, contreplaqué et acier. Elle a ensuite évalué le rendement et le coût de l’utilisation du système d’assemblage robotisé pour construire un bâtiment simple de plain-pied. Les chercheurs ont comparé ces estimations aux performances d’autres méthodes de construction.
Avantages environnementaux potentiels
Ils ont constaté que la plupart des voxels existants, et en particulier ceux fabriqués à partir de plastique, étaient peu performants en termes de durabilité par rapport aux méthodes existantes, mais que les voxels en acier et en bois qu’ils ont conçus offraient des avantages environnementaux significatifs.
Par exemple, l’utilisation de voxels en acier ne générerait que 36 % du carbone intrinsèque nécessaire à l’impression 3D de béton et 52 % de celui du béton préfabriqué. Les voxels en contreplaqué présentaient l’empreinte carbone la plus faible, ne nécessitant respectivement qu’environ 17 % et 24 % du carbone intrinsèque requis.
« Il existe encore une option potentiellement viable pour une approche voxel à base de plastique ; nous devons simplement être un peu plus stratégiques quant aux types de plastiques, de remplissages et de géométries que nous utilisons », explique Smith.
De plus, le temps d’assemblage sur site prévu pour les approches en voxels d’acier et de bois était en moyenne de 99 heures, tandis que les méthodes de construction existantes étaient en moyenne de 155 heures.
Ces gains de vitesse reposent sur la nature distribuée de l’assemblage voxel-based. Si un seul robot MILAbot est bien plus lent que les techniques existantes, une équipe de 20 robots travaillant en parallèle permet au système d’égaler, voire de surpasser, les méthodes d’automatisation actuelles à moindre coût.
« L’un des avantages de cette méthode réside dans sa modularité. On peut commencer la construction, et si l’on a besoin d’une nouvelle pièce, il suffit d’agrandir la structure. Elle est également réversible : si l’usage que vous en faites change, vous pouvez démonter les voxels et modifier la structure », explique Gershenfeld.
Les chercheurs ont également développé une interface permettant aux utilisateurs de saisir ou de concevoir manuellement une structure voxelisée. Le système automatique détermine les trajectoires que les robots MILA doivent suivre pour la construction et envoie des commandes aux assembleurs.
La prochaine étape de ce projet consistera en un banc d’essai plus vaste au Bhoutan, utilisant le « super fab lab » que CBA a aidé à mettre en place sur place pour reproduire les robots et tester la construction d’une ville durable planifiée, explique Gershenfeld.
Les travaux futurs porteront notamment sur l’étude de la stabilité des structures voxel sous charges latérales, l’amélioration de l’outil de conception pour tenir compte de la physique du système, l’amélioration des MILAbots et l’évaluation des voxels intégrant des revêtements, une isolation ou des circuits électriques et de plomberie.
Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
« Nos travaux contribuent à démontrer pourquoi ce type d’assemblage robotisé distribué pourrait constituer une solution pratique pour intégrer la fabrication numérique dans le secteur de la construction », explique Smith.
Ce travail a été financé, en partie, par le consortium du MIT Center for Bits and Atoms.
