VBD - Villes et Bâtiments Durables

CO-Simulation Multi-Physique Interactive – COSIMPHI

Le projet COSIMPHI : vers une co-simulation multiphysique interactive

L’objectif du projet est de travailler sur une solution numérique, cohérente scientifiquement et techniquement, permettant d’améliorer le processus de conception pour en maîtriser son coût propre ainsi que les coûts de la construction elle-même, en affirmant que la modélisation multi-physique permet une évaluation cohérente de l’empreinte environnementale d’une construction et du confort de ses usagers.

Fournir aux concepteurs de bâtiments un outil de simulation multi-physique

La réalisation d’un outil multi-métier soulève plusieurs questions : comment décrire de manière homogène et non-redondante chaque composant du bâti pour les rendre exploitables dans différents outils métiers ? comment gérer les différentes échelles de description (des couches d’un mur vertical utiles pour le coût et l’environnement au mur dans sa globalité utile pour l’énergie) ? comment s’assurer qu’un changement sur un paramètre se traduit de manière homogène dans tous les outils métier ? Dans ce contexte complexifié, quelles informations remonter au concepteur pour l’aider à faire des choix éclairés et à identifier les impacts croisés de ces choix de conception? <br />L’objectif final de COSIMPHI est de créer une plateforme de co-simulation, accessible en web service (WS), dans laquelle les problématiques de chaque métier sont traitées en cohérence et qui renvoie à l’utilisateur des informations quantitatives et qualitatives sur ses choix de conception.

COSIMPHI est comme un assemblage de briques élémentaires. Cette conception modulaire rend les fonctionnalités indépendantes les unes des autres.
La cohérence dans la description du bâtiment se fait au travers d’un Jeu de Données Pivot, description homogène, non redondante du bâtiment commune aux cinq outils métiers du projet (acoustique, coût, éclairage, énergie-confort d’été, et environnement) et d’une base de données regroupant les paramètres multi-physiques intrinsèques des composants du bâtiment. Ce jeu multi-métier, inspiré librement des formats officiels des maquettes numériques mais toutefois indépendant –par pragmatisme-, reflète d’abord les besoins de description des outils métier. Une Base de Données (BDD), mise en Web Service (WS), permet aisément de changer un composant par un autre tout en maintenant la cohérence multi-métier. Ces entrées alimentent une plate-forme de co-simulation. Un orchestrateur, également développé en WS, gère les appels des outils métier et transmets les informations d’un outil à l’autre (par exemple, à l’issue de la simulation, les consommations d’énergie du bâtiment sont envoyées au moteur Environnement et au moteur Coût ; ou encore les ratios de fermeture des protections solaires sont communes à l’Energie et à l’Eclairage). La gestion des appels est adaptée à des outils métiers qui n’ont pas le même pas de temps de simulation. Enfin, le contexte de la simulation multi-métier est complexe et ne peut être dissociée d’outils orientés « utilisateur ». Un module d’optimisation basé sur algorithmes génétiques, un module de règles expertes basé sur la logique floue et un module d’aide à la décision multi-critères se connectent à l’orchestrateur et sont capables de fournir au concepteur des informations sur son projet : fronts de Pareto, indications qualitatives sur les paramètres ou les objets à choisir pour atteindre tel ou tel objectif et listes de solutions classées selon les critères de pertinence définis par l’utilisateur.

La plateforme de co-simulation multi-physique interactive, développée dans le cadre de COSIMPHI, est fonctionnelle et peut être lancée sur n’importe quel ordinateur via une interface (IHM). Le chemin vers une commercialisation reste cependant long. La preuve de concept développée révèle qu’il est possible et pertinent de faire de la co-simulation, que le verrou de la description multi-métier du bâtiment peut être levé par le Jeu de Données Pivot, intermédiaire entre le monde de la maquette numérique et le monde des outils métiers. Plusieurs sujets restent à poursuivre comme le développement d’un retour d’expérience utilisateur plus large de la plateforme, l’enrichissement de la BDD de règles expertes pour capitaliser le savoir, le développement de la BDD multi-métier, éventuellement par référencement avec d’autres BDD métier, etc.

Plusieurs articles ont été rédigés lors du projet COSIMPHI. Un, co-rédigé par l’ensemble des partenaires a été présenté à IBPSA France 2016. D’autres ont été à l’initiative de l’un des partenaires. Un dernier article, avec les principaux résultats du projet, est en cours.

La thèse d’Abbass Raad et le post-doc de Boris Brangeon ont participé et participent largement aux retombées du projet COSIMPHI tant par leur apport scientifique au cours du projet que par la rédaction d’articles de conférences.

La diffusion de la plateforme à une échelle industrielle est à la fois un enjeu pour valoriser le démonstrateur COSIMPHI mais présente des difficultés plutôt d’ordre organisationnel. Bon nombre de verrous ont été levés dans COSIMPHI mais, par définition, le déploiement à grande échelle ne tolère pas de bugs informatiques et demande une exhaustivité des matériaux et produits non présents dans le démonstrateur COSIMPHI actuelle.
Outre les aspects logiciels, COSIMPHI a d’autres pistes de valorisation comme contribuer à l’évolution des formats de données multi-métier à un niveau normatif ou institutionnel. Ou aider à constituer d’une BDD multi-métiers homogène et cohérente, gérant les différentes échelles de description d’un produit.
Enfin, l’approche modulaire rend envisageable l’extension d’une telle plateforme à l’échelle quartier ou à la rénovation. Ces problématiques –accès aux données, contraintes spécifiques, description des usagers, etc.- n’ont pas été traitées dans COSIMPHI.

8 publications ont vu le jour grâce au projet COSIMPHI dont 1 (et un autre est en cours) dans des revues à comité de lecture et 5 dans des conférences.

Le projet propose d’aborder la question de la modélisation multi-physique par la co-simulation interactive pour concevoir et rénover en traitant simultanément les ambiances (acoustique, visuelles, qualité de l’air et thermique) ainsi que l’efficacité énergétique et environnementale. L’objectif final est un démonstrateur d’une solution intégrée, prenant en compte les rétroactions et interactions entre les différents objectifs, qui permette de proposer des solutions techniques faisant évoluer une esquisse ou un projet de rénovation.

Nombreux sont les outils abordant séparément chacun des différents métiers. Cependant, le manque d’interactions entre eux oblige les bureaux d’étude et les architectes à un travail itératif coûteux et dont la cohérence scientifique est difficile à garantir. En effet, pour chaque domaine les impacts croisés ne sont traités que séquentiellement là où ils peuvent largement être anticipés si l’approche devenait globale. De plus, chaque outil de calcul présente ses propres hypothèses, limitant la pertinence de résultat global obtenu.

Les exigences sur la conception et sur la rénovation allant croissant, il est nécessaire de répondre à ces exigences par des outils adaptés (que ce soit en phase esquisse, avant-projet sommaire (APS) ou avant-projet détaillé (APD)), robustes scientifiquement et performants (car ils doivent augmenter le rythme de production tout en garantissant la qualité). Une modélisation adaptée, des solutions pour l’interopérabilité dédiées à des outils préexistants, et des outils d’aide à la décision de type optimisation multicritère sont donc nécessaires pour permettre une inflexion des méthodes de conception et de rénovation vers une plus grande intégration des différents métiers.

Le projet propose une action sur 3 axes :

1. Un axe de convergence des hypothèses et les données. Pour travailler sur différents métier de manière intégrée, il est nécessaire de mettre en place un jeu de données commun spécialisé pour le paramétrage de simulations. Pour ce faire, nous étudierons des outils de simulation adaptés aux bureaux d’étude en nous limitant aux domaines de la thermique, de l’acoustique, de l’éclairage et de l’environnement. Pour chacun des outils retenus pour le projet il convient d’en étudier les modèles de données et les hypothèses pour pouvoir proposer ce jeu de données communs. De plus, le travail du bureau d’étude s’appuyant sur le travail de l’architecte en amont, il est nécessaire d’éviter les ressaisies inutiles de métrés. Une extraction d’un BIM vers ce jeu de données commun sera proposée. Enfin, le jeu de données sera également une base de travail pour la spécification de bases de données produit multi-métier.

2. Un axe de définition des interactions multi-physiques entre les outils de calculs. Aujourd’hui, chacun des acteurs de la construction utilise des outils métiers fortement spécialisés, adaptés à leur mission. Pour permettre une approche globale, les différents outils devront interagir à différentes étapes du calcul pour permettre une simulation multicritères. Il conviendra de définir ces interactions (interactions temporelles, règles de calculs cohérentes, couplage des modèles, etc.), et de les mettre en œuvre. Il ne s’agit pas de développer de nouveaux outils de calcul, mais de permettre l’interopérabilité d’outils existants.


3. Un axe d’aide à la décision multicritère. Les méthodes d’algorithmes génétiques sur lesquelles de nombreux travaux de recherche sont effectués nécessitent un grand nombre d’itérations pour converger. Le projet propose de travailler sur des méthodes d’aide à la décision hybridant des éléments d’optimisation, de visualisation intelligente et de règles expertes définies par l’utilisateur (bureau d’étude ou architecte). Sans se focaliser uniquement sur l’optimisation mathématique, cette approche doit permettre d’impliquer l’utilisateur de l’outil en valorisant son propre savoir-faire au sein de l’outil lui-même.

Coordinateur du projet

Monsieur CORRALES Patrick (Centre Scientifique et Technique du Batiment) – patrick.CORRALES@cstb.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CSTB Centre Scientifique et Technique du Batiment
CEA-SACLAY Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
Tribu Energie
LRA Laboratoire de Recherche en Architecture
G2Elab Laboratoire de génie électrique de Grenoble
LaSIE Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement

Aide de l'ANR 821 409 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2013 - 42 Mois

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