La problématique de l’interopérabilité BIM

La problématique de l’interopérabilité BIM 

Le BIM vise à améliorer la fiabilité des données et des workflows dans l’industrie AEC, et donc à améliorer la qualité des bâtiments tout en réduisant le coût et temps de leurs études et construction. Depuis son apparition dans les années 2000, le BIM a gagné en popularité et s’est largement implanté dans les pratiques professionnelles de l’AEC. Au cours de la dernière décennie, un nombre important de gouvernements ont rendu obligatoiresles livrables BIM pour les concours publics et ont investi dans des normes nationales BIM, ce qui constitue un fort indicateur de pénétration du marché (W. Wu et al., 2018). Parallèlement, le BIM est aussi un vaste champ de recherche universitaire. Étendard de la digitalisation de l’industrie du bâtiment, avec son potentiel disruptif, le BIM semble toutefois présenter une faiblesse sur la question de la collaboration et de l’interopérabilité. Dans le présent chapitre, après avoir dressé une définition et un historique du BIM, et exposé les spécificités de l’industrie AEC, nous caractériserons la question précise de l’interopérabilité au sein du BIM et ses différentes retombées.

Définition du BIM 

Le terme BIM, acronyme de Building Information Modeling, désigne les processus et méthodes de création et de gestion de l’information via l’artefact d’une maquette numérique (ou Building information Model en anglais). La définition du BIM fait aujourd’hui consensus ; ainsi, d’après l’US National BIM Standards (National BIM Standard – United States, n.d.) : « A BIM is a digital representation of physical and functional characteristics of a facility. As such, it serves as a shared knowledge resource for information about a facility forming a reliable basis for decisions during its lifecycle from inception onward ».

La définition du BIM par buildingSmart France (Notions Clés Du BIM – BuildingSmart France, n.d.) est similaire, et distingue la maquette numérique de son processus de création et d’utilisation :

« La maquette numérique (MN) :
Il s’agit d’une représentation 3D des caractéristiques physiques et fonctionnelles d’un bâtiment. Mais outre les trois dimensions, elle intègre aussi la dimension temps (4D), les datas « financières (5D), environnementales (6D), patrimoniales (7D)… C’est donc avant tout une base de données technique, constituée d’objets définis par leurs caractéristiques et leurs relations entre eux. Le tout forme un ensemble structuré d’informations sur un ouvrage.

Un processus métier de génération et d’exploitation de data techniques :
Il permet de concevoir, construire et exploiter un ouvrage sur l’ensemble de son cycle de vie. C’est un process collaboratif dans l’entreprise (BIM niveau 1) ou entre des partenaires extérieurs (BIM niveau 2) autour de MN. »

Une maquette BIM, ou maquette numérique, contient de l’information géométrique et non géométrique ; c’est-à-dire des objets sémantiquement riches. Avant l’apparition du BIM, la famille d’outils digitaux utilisée dans l’industrie du bâtiment était celle des outils CAD (Computer Aided Design) – soit du dessin technique numérique 2D. La nouveauté du BIM se situe au niveau des données non géométriques – souvent appelées métadonnées, associées à des modélisations 3D – peu fréquentes dans l’AEC avant les années 2000. De plus, la modélisation orientée objet s’impose comme le modèle de données principal des maquettes BIM dès sa période embryonnaire dans la seconde moitié des années 90 (Brown et al., 1995). Ainsi, une maquette BIM peut-être décrite comme une maquette CAD, augmentée de métadonnées, et orientée objet (Muller et al., 2017).

Toutefois, le changement de paradigme principal entre le CAD et le BIM réside dans l’utilisation et le comportement des données d’une maquette numérique. Un dessin CAD est destiné à être interprété par les fonctions cognitives d’un humain ; tandis qu’une maquette BIM, si elle se doit d’être appréhendable par un cerveau humain, est aussi destinée à être interprétée par un ordinateur. C’est ici que s’étoffe la notion de collaboration BIM (Figure 1) incluant échanges et interprétations hybrides (cognitives et algorithmiques) de données. C’est aussi en ce sens qu’une maquette BIM est plus proche d’une forme de simulation que d’une représentation (Girard, 2014).

En pratique, ce qui est appelé le BIM est une méthodologie ou un processus de création et d’utilisation d’une maquette BIM pour la conduite d’un projet. Les différents acteurs, au lieu de s’échanger des dessins CAD, éditent collectivement des bases de données BIM. Concrètement, en 2021, chaque équipe édite une maquette BIM orientée métier ; les différentes maquettes sont ensuite assemblées et constituent la maquette fédérée, qui regroupe les différentes disciplines d’un projet. Le terme maquette BIM est donc potentiellement ambigu : à l’échelle d’une équipe, il peut désigner une maquette métier ; à l’échelle d’un projet, il peut désigner une maquette fédérée – ou une des maquettes métier qui le constitue. Par ailleurs la taille d’une maquette, métier ou fédérée, est très variable selon la taille du projet concerné, sa phase, et selon son niveau de développement (LOD, Level of Development), c’est-à-dire, selon le degré de richesse géométrique et sémantique de ses objets BIM ; elle peut être contenue dans un fichier, ou dispatchée dans un ensemble de fichiers dont la taille peut dépasser les 100 Go. Ainsi, le terme de maquette BIM doit être entendu comme un ensemble de données BIM, cohérent pour une entité donnée : un projet, un métier, un fragment de projet ; ce terme implique divers niveaux de granularité.

Spécificités de l’industrie du bâtiment 

Peu automatisée, avec de faibles marges et une faible productivité, ses délais et coûts souvent dépassés, l’industrie du bâtiment est souvent considérée comme archaïque – ce qui peut être expliqué par différents aspects clefs de cette industrie.

Prototype permanent

Tout d’abord, il est courant d’entendre que, contrairement aux autres industries, l’industrie du bâtiment consiste à construire des prototypes à chaque nouveau projet (Muller et al., 2017). Cette affirmation est discutable théoriquement, si l’on considère le nombre de composants standardisés dans un bâtiment donné ; la seule véritable variable physique étant le site de construction, et les intempéries d’un chantier, que l’on ne retrouverait pas en usine. Elle est d’autant plus discutable si l’on considère l’histoire moderne de l’architecture, qui au début du XXème siècle, a vu émerger une forte volonté de normer et d’industrialiser la conception et la production de bâtiments. La variable qui, en réalité, plus qu’un site de projet ou une intempérie – éléments dont l’imprévisibilité est somme toute prédictible, ou pour le moins anticipable – change quasiment systématiquement d’un projet à l’autre, c’est la variable organisationnelle : les montages financiers, les dispositions contractuelles, les différentes entreprises, et les organisations humaines.

Forte fragmentation 

En effet, l’industrie du bâtiment est très fragmentée et diverse, composée (environ à 95 %) d’une vaste majorité de moyennes, petites et très petites entreprises (PME et TPE), (C. M. Eastman et al., 2011; Howard et al., 1989). Typiquement, sur un projet donné, un très grand nombre d’entreprises vont s’interfacer ; or ces entreprises n’ont parfois jamais travaillé ensemble, et sont très variées en termes de métiers – disciplines ou domaines, de savoirs, de styles de management, de modèles économiques, de compétences digitales, de qualifications, et même de langages (liés au caractère international de certains grands projets, ou au fait que les ouvriers du bâtiment sont souvent immigrés). Ainsi, miser sur la capitalisation du savoir ou mener une conduite du changement est ardu dans l’AEC – et ce même au sein de grands groupes dits « majors », comme en France Bouygues construction ou Vinci, qui sont souvent composés de multitudes de TPE et PME pas forcément intégrées. Ce milieu très hétérogène, paradoxalement, impliquerait un fort besoin collaboratif ; mais, dans une sorte de cercle vicieux, c’est justement cette diversité qui freine la collaboration.

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Table des matières

Remerciements
Résumé
Abstract
Table des matières
Liste des tableaux
Liste des figures & illustrations
Liste des sigles et des abréviations
Notes sur la langue et le formatage de cette thèse
Notes sur le partenariat industriel de cette thèse CIFRE
Introduction
Chapitre 1. La problématique de l’interopérabilité BIM
1.1 Définition du BIM
1.2 Spécificités de l’industrie du bâtiment
1.2.1 Prototype permanent
1.2.2 Forte fragmentation.
1.2.3 Faible technologisation
1.2.4 Modèles économiques sinueux
1.3 Bref historique du BIM
1.3.1 Les années 1970/80 : prémisses
1.3.2 Les années 1990 : explorations
1.3.3 Les années 2000 : ébullition
1.3.4 Les années 2010 : stagnation
1.4 L’interopérabilité BIM
1.4.1 Caractérisation de l’interopérabilité BIM
1.4.2 Solutions existantes aux problèmes d’interopérabilité technologiques
1.4.3 Solutions existantes aux problèmes d’interopérabilité métier
1.5 Conclusion
Chapitre 2. État de l’art sur l’interopérabilité et la collaboration BIM
2.1 État de l’art original, 2013-2018
2.1.1 Méthodologie, corpus, cadre d’analyse
2.1.2 Cadre d’analyse n°1 : Les différents contextes AEC
2.1.3 Cadre d’analyse n°2 : Les visées collaboratives de l’interopérabilité
2.1.4 Cadre d’analyse n°3 : Les méthodes de résolution des problèmes d’interopérabilité BIM
2.1.5 Discussion
2.2 État de l’art anachronique, 1989-1999
2.2.1 Méthodologie, corpus, cadre d’analyse
2.2.2 Comparaison aux industries digitalisées
2.2.3 Conjonction de l’organisationnel et du digital
2.2.4 Temporalités
2.2.5 Modèles de données
2.2.6 Processus dynamiques.
2.2.7 Anticipations et prospectives
2.2.8 Discussion
2.3 État de l’art actualisé, 2019-2021
2.3.1 Amélioration de la création et utilisation d’IFC
2.3.2 Amélioration de l’interopérabilité technologique au-delà de l’IFC
2.3.3 Amélioration de l’interopérabilité métier
2.3.4 Discussion
2.4 Conclusion
Chapitre 3. Proposition d’un workflow de co-modélisation par requêtes et enrichissements de données
3.1 Requêtes collaboratives : une conjonction de plusieurs solutions existantes
3.2 Aperçu des situations d’interopérabilité BIM
3.3 Zoom sur les processus d’échanges BIM : la nécessité des requêtes
3.3.1 Un cadre de fédération
3.3.2 Atome collaboratif : requêtes et enrichissement de données
3.3.3 Exemple d’itération
3.4 Les requêtes en théorie : un paradigme du big data
3.5 Les requêtes en pratique dans le BIM
3.5.1 Les requêtes dans Revit
3.5.2 Les requêtes dans Navisworks
3.5.3 Les requêtes dans Solibri Office
3.5.4 Synthèse comparative
3.6 Caractérisation du cadre de collaboration par la requête
3.6.1 Fonctionnement
3.6.2 Prérequis
3.7 Conclusion
Chapitre 4. Prototype d’application : Treegram
4.1 Fonctionnement général
4.2 Architecture de l’application
4.3 Constitution de la base de données neutre
4.3.1 La fonctionnalité de scan, ou l’import des données
4.3.2 Écriture des objets BIM dans Treegram
4.4 Création et organisation de requêtes
4.4.1 Les arbres : espace d’organisation des requêtes
4.4.2 Les nœuds : espace de création de requêtes
4.4.3 Arborescence dynamique de requêtes : vues métier
4.5 Vérification et enrichissement de données
4.5.1 Franchissement des itérations
4.5.2 Vérification des données
4.5.3 Enrichissement des données
4.6 Tests de Treegram
4.6.1 Test de robustesse
4.6.2 Test de création d’une vue métier
4.6.3 Test de requête et enrichissement d’une maquette multi-source
4.7 Conclusion
Conclusion

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