In­fras­truc­tures rou­tières: as­sai­nir avec le BIM

Les jumeaux numériques sont d’autant plus précieux qu’ils peuvent être utilisés tout au long du cycle de vie d’un ouvrage. Dans le domaine de la construction d’infrastructures, la phase «exploitation et maintenance» correspond au facility management dans le domaine des bâtiments. L’effondrement du viaduc de Polcevera (aussi connu sous le nom de pont Morandi), à Gênes, le 14 août 2018, a démontré de manière drastique l’importance d’une gestion transparente de la maintenance de ces infrastructures.

Alors que les ponts ferroviaires peuvent facilement atteindre une durée de vie d’un siècle, les ponts routiers construits depuis la Seconde Guerre mondiale dans le contexte du boom de l’automobile en Europe et aux États-Unis – réalisés pour la plupart en béton précontraint, un nouveau matériau de construction à l’époque –, entrent aujourd’hui dans leur phase critique après 60 à 70 ans d’exploitation, soumis à un trafic en constante augmentation, ainsi qu’aux effets agressifs des sels de déneigement et des gaz d’échappement. Dans la mesure où de graves dommages aux éléments de couplage ou une mauvaise injection des éléments de précontrainte n’ont pas mis un terme prématuré à leur exploitation, il a fallu entre-temps renouveler les étanchéités et les revêtements, remplacer les appuis et les joints de chaussée et souvent prendre des mesures de renforcement de la structure porteuse elle-même – un patchwork dont le succès n’est pas toujours durable.

Avant l’effondrement du pont Morandi, des initiatives avaient déjà été lancées dans l’Union européenne (UE) pour établir des normes communes en matière d’inspection et d’entretien des infrastructures. Alors que pour l’entretien des routes, des bases de données SIG/SIT (système d’information géographique/du territoire) avec des plans de situation interactifs et des informations attributives sur l’âge et l’historique des mesures sont généralement suffisantes, une saisie en 3D de l’état de l’infrastructure et des images des dommages s’avère souhaitable pour les ouvrages d’art, si possible couplée avec une analyse de leurs causes et une évaluation de leur possible évolution.

Normes européennes d’inspection

L’une des sept feuilles de route du «Strategic Transport Research and Innovation Agenda» (Stria) de l’UE, publiée en 1996, portait sur les infrastructures de transport. À cet effet, le projet «Bridge Management in Europe» (BRIME) a été mis en place en 1998 et 1999 pour optimiser l’entretien des ponts. Sous la direction de la Grande-Bretagne, la Norvège, l’Allemagne, la France, l’Espagne et la Slovénie y ont participé. En 2001, le rapport final¹ a été publié avec une vue d’ensemble des systèmes nationaux de gestion des ponts (Bridge Management System, BMS), comprenant le relevé de l’état, l’évaluation de la capacité portante, la modélisation des structures porteuses endommagées et des mécanismes de dégradation, les critères de décision concernant la réparation ou le remplacement et la planification de l’entretien. Pour la première fois, une gestion européenne uniforme des ponts a été esquissée.

Il a fallu attendre 2015 pour qu’une nouvelle initiative d’uniformisation soit prise dans le cadre de la Coordination européenne pour la science et la technologie (COST), en ce qui concerne les spécifications de qualité des ponts routiers². Cette initiative a donné naissance à la European Association on Quality Control of Bridges and Structures³. Autre résultat: l’Association internationale des ponts et charpentes (IABSE) a créé la commission technique 5 «Existing Structures». Un premier symposium sur le thème «Towards a Resilient Built Environment – Risk and Asset Management» a eu lieu en 2019 au Portugal.

Association internationale des ponts et charpentes

 

L’Association internationale des ponts et charpentes (IABSE) a été fondée à Zurich en 1929. Elle compte plus de 2500 membres dans 100 pays, qui échangent régulièrement des résultats de recherche et des expériences pratiques. L’association publie le Journal of Structural Engineering International et gère une plateforme d’apprentissage en ligne sur iabse.org, et prochainement, une académie payante. Les commissions techniques ont été réorientées le long du cycle de vie de l’ouvrage ; auparavant elles se concentraient sur les méthodes de construction et les types de structures. La commission 5 s’occupe des structures porteuses existantes et comprend les groupes de travail suivants :

 

TG 5.1 – Forensic structural engineering

TG 5.2 – Gerontology of bridge structures

TG 5.3 – Definition of key performance indicators

TG 5.4 – Structure management systems & decision making models

TG 5.5 – Conservation and Seismic Strengthening of Historical Structures

TG 5.6 – BIM in Structure Management

TG 5.8 – Resilience of Existing Structures

TG 5.9 – Remote Inspection of Bridges

 

Chaque année, plusieurs groupes nationaux organisent des symposiums internes, comme en 2023 à Istanbul et New Delhi. L’IABSE dispose également d’une section suisse qui organise chaque année le Young Engineers Symposium. Elle n’est pas identique au groupe spécialisé des ponts et charpentes (GPC) de la SIA.

SIG/SIT comme base de la numérisation

Avec l’arrivée d’Internet, les systèmes de gestion des tunnels ont été les premiers à être reliés à la gestion du trafic de la police via des protocoles web. En Suisse, plusieurs unités territoriales de l’OFROU disposent de leurs propres centres de contrôle pour la surveillance technique des équipements d’exploitation et de sécurité en fonctionnement normal et en cas d’incident. Les documents destinés aux services d’intervention ont été numérisés, de sorte que les pompiers peuvent s’orienter via une tablette numérique, par exemple, sur les conduites de drainage, les séparateurs d’huile et les bassins de récupération des eaux d’extinction. Pour l’entretien de routine également, les grilles quantitatives et les plans d’entretien établis dans le cadre du benchmarking de l’entretien des routes nationales ont été programmés pour passer du papier à des systèmes d’information géographique interactifs et à des flux de travail ERP (Enterprise Resource Planning, progiciel de gestion intégrée) permettant de mandater et de rapporter les dépenses.

Pour l’entretien des routes et des conduites souterraines, il a suffi d’un petit pas pour introduire dans les bases de données SIG/SIT toutes les informations pertinentes sur l’âge, les dernières réparations et l’état actuel. Il est même possible d’obtenir un géoréférencement des trajets de caméra pour les audits de sécurité routière.

Ce qui manque, c’est la troisième dimension, relative à la structure de la route ou à la profondeur des conduites. Ces données ne sont généralement disponibles que sous forme de profils transversaux ou d’attributs d’objets, mais pas sous forme de représentation virtuelle en 3D; c’est pourquoi l’on parle aussi de 2.5D. L’avantage des systèmes SIG/SIT est de pouvoir représenter de grands tronçons et des réseaux entiers avec un volume de données maîtrisable, afin de visualiser et prioriser leurs besoins en termes de maintenance. Pour la première fois, des modèles 3D des obstacles souterrains existants ont ainsi été créés à grande échelle dans le cadre du projet Crossrail à Londres⁴.

Le BIM dans la construction d’infrastructures

C’est surtout en Scandinavie et aux Pays-Bas que le BIM commence à faire son entrée dans la construction de ponts, avec des avantages supplémentaires pour la planification des phases de construction (y compris la sécurité du travail) et la gestion des coûts, appelées respectivement quatrième et cinquième dimensions (4D et 5D), après la géométrie spatiale de la structure porteuse (3D). Des informations sur la durabilité peuvent être ­intégrées comme sixième dimension (6D), par exemple l’énergie grise contenue dans les éléments de construction ou des indications sur l’élimination des déchets. Pour le pont de Randselva en Norvège, les ingénieurs ont modélisé le cheminement des armatures en trois dimensions et ont vérifié, pour les détails critiques, la collision des fers d’armature entre eux, avec les gaines des éléments de précontrainte ou avec d’autres éléments intégrés. Pour ce faire, les objets concernés ont dû être définis individuellement; de cette manière, il n’est pas nécessaire de réaliser des maquettes physiques de faisabilité, ni d’établir un plan sur papier (BIM2FIELD). Comme il s’agit d’une construction en encorbellement, il était important de pouvoir consulter les différentes étapes de la construction, comme l’ancrage du coffrage ou l’ajout d’armatures et de gaines. Pour ne pas alourdir inutilement le modèle BIM principal, les responsables ont défini une interface permettant à tous les intervenants, par exemple le fournisseur de coffrage, de créer leur propre modèle partiel.

Du BrIM au BMS

Toutes ces applications BIM concernent des informations sur les nouvelles constructions et sont archivées chez le propriétaire du pont en tant que dossier numérique de l’ouvrage (as-built). Ce n’est que dans la septième dimension (7D BIM) que l’on passe à l’utilisation des informations comme outil de gestion de la maintenance (Bridge Information Model, BrIM). Cela comprend la visualisation des résultats de l’inspection, la priorisation des mesures de conservation et leur chronologie, c’est-à-dire la mise à jour du jumeau numérique du modèle as-maintained. Dans la mesure où la géométrie de la structure porteuse serait mise à jour pour les éclatements ou la corrosion des armatures, et où les propriétés des matériaux tels que le module d’élasticité ou la résistance à la compression seraient actualisées de manière attributive, un calcul de la capacité portante résiduelle pourrait être lancé à partir du jumeau numérique (BIM2FEM, du BIM à la modélisation par éléments finis) et, dans certaines circonstances, l’évolution ultérieure des dommages pourrait être pronostiquée. Une modélisation détaillée as-maintained – même si elle n’atteint peut-être que la rigidité à l’état fissuré – est également nécessaire pour identifier la détérioration progressive de la structure (structural health monitoring), par exemple en identifiant les fréquences propres des oscillations sous le trafic ou des rafales de vent au moyen d’une analyse spectrale. Seuls quelques pays très développés feront de tels efforts, et encore, seulement pour certains types de ponts comme les ponts haubanés⁵.

En revanche, un degré de modélisation moindre dans le modèle d’information sur les ponts (BrIM) suffirait s’il s’agit uniquement d’attribuer spatialement des résultats d’inspection à des éléments de construction. Comme pour la projection de scans sur la voûte d’un tunnel, les photos d’inspection seraient projetées sur la surface d’un objet et les résultats de mesure (comme la teneur en chlorure) seraient associés de manière attributive^6,7. Cela suffirait pour mettre à la disposition des inspecteurs de ponts des points de contrôle en ligne liés aux éléments de construction, par exemple sous forme d’incrustation via des lunettes VR, afin de détecter une péjoration des dégâts.

Enquête mondiale actuelle

Le format d’échange IFC (Industry Foundation Classes) entre différents logiciels openBIM revêt la même importance que l’interface DXF entre les anciens programmes de CAO. Dans la version actuelle IFC 4.0, il existe déjà différentes variantes, comme l’IFC Bridge pour les ponts. Bien que ce dernier soit l’un des plus avancés, notamment en ce qui concerne BIM2FEM, il se concentre encore trop sur les constructions nouvelles. L’objectif de l’IABSE est d’abord de formuler les exigences d’une interface de données IFC de nouvelle génération pour les ponts existants concernant les besoins en termes d’exploitation et de maintenance, mais avec la possibilité de l’étendre ultérieurement à d’autres infrastructures complexes. Pour que l’utilisation du BIM dans la maintenance fonctionne de manière optimale, les bases de données de gestion des actifs existantes doivent être modifiées le moins possible⁸. D’autres aspects doivent être clarifiés:

• le lien avec le SIG et d’autres modèles de données,
• la représentation géométrique et attributive des dommages,
• le suivi de l’historique des dommages et la prévision de leur évolution,
• l’interface utilisateur avec possibilité de saisie sur le terrain.

Pour ce faire, le groupe de travail 5.6 de l’IABSE a établi un questionnaire visant à recueillir les exigences du point de vue des propriétaires de ponts et des services d’entretien, avec lequel les premiers avis seront également recueillis en Suisse dans le courant de cette année. Sur cette base, une proposition consolidée concernant les exigences posées à l’interface IFC et aux fabricants de logiciels BIM sera élaborée et diffusée au niveau international.

Impliquer les entreprises de construction

En comparaison internationale, la Suisse joue peut-être dans la cour des grands en ce qui concerne la numérisation dans la construction d’infrastructures pour tout ce qui touche à la gestion du trafic; mais ce n’est pas le cas pour ce qui est de la gestion des actifs. L’IABSE s’intéresse pourtant également aux ­raisons d’une entrée plutôt réservée dans ce domaine. En Suisse, la numérisation se développe plutôt dans les travaux souterrains et à l’air libre (construction de routes, de voies ferrées, de gabarits). En revanche, le pays est davantage à la traîne en ce qui concerne les ponts, notamment en raison du faible taux de nouvelles constructions. Pour la suite du développement, il serait avanta­geux que les maîtres d’ouvrage et les planificateurs abandonnent une culture du secret, trop répandue, et que les entreprises de construction soient plus impliquées dans la recherche, car elles prennent les devants pour leur propre avantage: d’abord dans la construction neuve, puis dans la gestion des actifs avec le jumeau numérique comme valeur ajoutée pour l’exploitant.

Texte publié dans TEC21 09/23 «BIM-ba­sier­te In­stand­set­zung» et traduit de l’allemand par Philippe Morel.

Notes

 

1 BRIME Contract RO-97-SC.2220: Deliverables D14 – Final Report 1999

 

2 COST Action TU1406 : Quality Specifications for Roadway Bridges – Standardization at a European Level (BridgeSpec). Final Report 2019

 

3 eurostruct.org

 

4 J.-M. Barsam, D. Harris & A. Hooper. «Crossrail project: engineering design management on the Elizabeth line, London». Civil Engineering 170 issue CE5, May 2017

 

5 S.-C. Shim u.a. «Development of BIM-based bridge maintenance systems for cable-stayed bridges». Smart Structures Systems, vol. 20 no. 6 (2017), 697-708

 

6 J. Taraben u. a.: Bridge condition assessment based on image data and digital twins. IABSE Symposium Prague 2022

 

7 D. Isailovic u. a.: «Bridge damage detection, IFC-bases semantic enrichment and visualization». Automation in Construction, 112 (2020)

 

8 R. Hajdin & V. Samec: BIM and B(r)MS – Current status and challenges. IABSE Symposium Prague 2022.