Scan to BIM / Scan versus BIM

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Scan to BIM : modéliser une maquette numérique BIM sur la base d'un nuage de points

Scan to BIM / Scan versus BIM

Dans le monde du bâtiment et du génie-civil, la numérisation 3D a souvent été désignée par les termes de “relevé 3D” par les géomètres pionniers dans l’adoption des scanners laser 3D. Puis l’activité a montré de plus en plus de potentiel, notamment au travers d’une convergence entre photogrammétrie et lasergrammétrie.

Des applications telles que la modélisation de maquettes numériques BIM sur la base de relevés 3D rendent obsolète la notion de “relevé”.

Du relevé 3D à la capture de la réalité

Le terme de “relevé” sous-entend qu’une action sur le site concerné est nécessaire pour chacune des prises d’information : “je veux mesurer une longueur, alors je vais la relever”. Rien d’étonnant que cette terminologie soit employée par les géomètres, qui renvoie vers des habitudes historiques de travail .

Mais au fur et à mesure que les scanners laser 3D gagnent en vitesse de captation, que les méthodes de calcul photogrammétriques obtiennent des résultats de plus en plus précis et que les supports de visualisation des données 3D s’orientent vers des expériences utilisateurs de plus en plus immersives, le terme de “relevé” est devenu réducteur.

Il est donc de plus en plus courant de désigner l’action de numérisation 3D sous les termes de “capture de la réalité”.

Le terme de “capture” véhicule un tout autre message : “je vais sur place, je capture la scène, puis la ramène au bureau pour y travailler”.

Ghostbusters, ou "Reality Busters ?"

Ghost Busters ou “Reality Busters ?” A droite, un scanner 3D mobile Leica Pegasus Backpack

La “capture de la réalité” permet de numériser des sites et ouvrages entiers une seule fois puis d’utiliser les données de manière illimitée sans avoir à se déplacer à nouveau.

Des mesures de hauteur sont prises sur un nuage de points

Des mesures de hauteur sont prises sur un nuage de points

Définition de l’activité de Scan to BIM

Dans le monde du bâtiment, la modélisation 3D de maquettes BIM sur la base d’une numérisation 3D de la réalité trouve tout son sens. Cette activité est généralement nommée “scan to BIM”, référence réductrice aux “scanners laser 3D” utilisés pour capturer la réalité, mais omettant d’évoquer la photogrammétrie.

Scan to BIM : modéliser une maquette numérique BIM sur la base d'un nuage de points

Scan to BIM : modéliser une maquette numérique BIM sur la base d’un nuage de points.

69% des chantiers de bâtiment sont des travaux de rénovation, pour lesquels la numérisation 3D des existants est indispensable (source FFB).

Le BIM devient obligatoire, c’est une réalité. A l’objection récurrente “aucune loi n’impose encore le BIM en France”, entendue fréquemment depuis plusieurs années, la réponse est simple :

La Loi n’a pas la capacité de dicter les règles d’un marché. Les clients, si. Et les clients veulent du BIM sur leurs projets.

Numériser en 3D les ouvrages et bâtiments existants est un prérequis tout simplement indispensable à toute exécution de travaux de conception et de réalisation en mode BIM.

Cette phase de capture de la réalité doit respecter certaines étapes.

Comprendre que numériser ne signifie pas radiographier

Quel que soit votre rôle dans le projet de construction, si vous êtes amené(e) à intervenir en suivant un processus BIM sur un chantier de rénovation, vous devrez définir les niveaux de détails attendus au terme de la modélisation “scan to BIM”. Et c’est à ce stade que les incompréhensions commencent.

Scanner ne signifie pas radiographier

Scanner ne signifie pas radiographier

Les Maîtres d’Ouvrages veulent généralement une maquette BIM comportant “toutes” les informations, y compris à l’intérieur des ouvrages : l’épaisseur du mur béton, mais aussi l’épaisseur du doublage et de la plaque de plâtre. Or les méthodes de numérisation 3D ne peuvent pas voir à l’intérieur des ouvrages.

Comment modéliser ces informations sans transformer en un chantier de démolition ce qui devrait rester un chantier de rénovation ?

La technologie actuelle permet de numériser des bâtiments entiers en 3D , mais pas (encore) de les radiographier.

Les attentes des Maîtres d’Ouvrages sont fortes, car les enjeux pour la gestion des bâtiments le sont tout autant. Alors, la tentation de répondre “oui” à n’importe quelle demande est forte pour les entreprises de relevé 3D, par  crainte de créer une frustration chez le client. Exploiter le manque de connaissances d’un client pour lui “vendre du rêve” peut certainement permettre de remporter des marchés à court terme, mais cela engage surtout à entretenir des attentes inappropriées, lesquelles deviendront ensuite des demandes irréalistes.

Il est primordial que les Maîtres d’Ouvrages, Maîtres d’Oeuvre et entreprises de construction s’éduquent sur la thématique de la numérisation 3D afin d'adapter leurs demandes et de parler le même langage que les prestataires de scan 3D.

Définir le niveau de détails attendu

En langage BIM, le niveau de détails a pour objectif de définir un référentiel commun entre les acteurs de la construction sur le niveau de précision attendu lors de la modélisation de la maquette numérique. Un modèle BIM est à la fois un assemblage de géométries 3D et une base de données caractérisant ces objets selon des informations permettant de les définir en tant qu’ouvrages (matériau, couches, résistance…).

De ce fait, le niveau de détail peut prendre deux définitions :

  1. Level Of Details (L.O.D.) : niveau de précision de la géométrie des ouvrages,
  2. Level Of Informations (L.O.I.) : niveau de précision des informations caractérisant les ouvrages.

Chacune de ces deux notions est définie par un niveau d’échelle allant de 100 à 500, avec souvent des niveaux intermédiaires par pas de 50.

Disons le clairement, bien que tous les acteurs du BIM se rejoignent quant à la nécessité de définir précisément des échelles de précision des maquettes numériques, aucun consensus mondial ni même national n’existe actuellement autour de cette définition. Malgré cette multiplicité de points vues et le manque actuel de fédération autour d’un socle commun, certaines définitions tendent à rester communes :

  1. Le LOD 100 désigne une phase très en amont, durant laquelle un bâtiment pourrait ressembler à un simple cube, sans même que les pentes de toiture par exemple ne soient représentées.
  2. Le LOD 500 désigne la phase après travaux et intègre toutes les informations relatives aux modifications apportées en cours de construction. Il s’agit donc en quelque sorte d’un DOE (Dossier des Ouvrages Exécutés) sous forme de maquette numérique. Toutes les informations relatives à un ouvrage doivent être présentes : la forme finale “telle que construite” ainsi que les informations sémantiques (résistance du matériau, date de mise en oeuvre, etc.).

Dans le cadre de la création d’une maquette numérique d’un ouvrage existant, généralement liée à un projet de rénovation ou de réaménagement, les LOD 100 et 500 ne sont évidemment pas adaptés :

  • Le LOD 100 n’est pas un reflet suffisant de la réalité pour permettre de définir de manière pertinente les ouvrages à modifier ou à ajouter.
  • Le LOD 500 implique une modélisation d’objets invisibles après construction (aciers dans le béton armé par exemple) ainsi que l’ajout d’informations sémantiques caractérisant les matériaux, souvent inconnues a posteriori.

Éliminons donc ces deux niveaux extrêmes. La définition d’un niveau de détail attendu pour une numérisation 3D doit donc se situer quelque part entre les niveaux intermédiaires.

Illustration des niveaux de détails LOD d'une maquette BIM modélisée sur la base d'un scan 3D

Illustration des niveaux de détails LOD d’une maquette BIM modélisée sur la base d’un scan 3D

Ces images ne sont pas notre création, elles ont été produites par BIMForum, antenne américaine de buildingSMART dont l’action vise à promouvoir les solutions BIM ouvertes et à fédérer les initiatives mondiales en la matière. On doit notamment à buildingSMART le format IFC, aujourd’hui devenu une norme pour préserver l’interopérabilité des données BIM. Il s’agit donc à ce jour de l’entité indépendante la plus influente autour du BIM.

Les niveaux de détails sont débattus puis définis par plusieurs centaines professionnels de toutes origines, ouvrage par ouvrage, avec à la clé un rapport annuel illustrant les définitions retenues.

Scan to BIM : LOD 200 ou LOD 300 ?

Sur la base illustrée précédemment de la définition des LOD, vous constaterez aisément que les LOD 350 et 400 impliquent la modélisation de parties invisibles a posteriori de la construction.

La modélisation de maquettes BIM basée sur des scans 3D ne pourra jamais dépasser un LOD 300.

Alors, LOD 200 ou LOD 300 ? Au risque de décevoir, nous ne répondrons pas à cette question. Non pas que l’intention soit de vous bloquer, mais parce que vous dire de retenir l’un ou l’autre des niveaux représenterait un risque. Revenons aux fondements des LOD, censés répondre à un besoin de définition des bornes d’une mission à chaque étape d’un projet.

En France, la Loi MOP encadre depuis plusieurs décennies la teneur des missions d’un architecte suivant plusieurs phases imposées :

  • APS : Avant-projet sommaire
  • APD : Avant-projet définitif
  • DPC : Dossier permis de construire
  • PCG : Projet de conception générale
  • AMT ou ACT : Assistance passation marché Assistance aux Contrats de Travaux
  • DET : Direction d’exécution des travaux
  • AOR : Assistance opérations réception

 

Il existe autant d’interprétations de la différence entre un “APS” et un “APD” qu’il existe d’architectes. De la même manière pour le BIM, aucun consensus absolu n’existera jamais autour des LOD.

Seul un échange constructif entre les différents acteurs d’un projet sauront répondre aux vrais enjeux. Essayer de faire rentrer les besoins spécifiques d’une opération dans une case “LOD 200” ou “LOD 300” est à la fois inutile et inadapté.

Parlons concrètement. Imaginez un marché de numérisation 3D dans le cadre d’un projet portant uniquement sur la modification de la charpente métallique d’un gymnase. Un niveau de détail très élevé sera demandé sur cette partie de l’ouvrage. Les jonctions entre profilés, le type de poutre, les ancrages dans les murs : tous ces éléments devront être modélisés à un LOD élevé, disons 300. Mais pourquoi aller modéliser aussi précisément les cloisons des vestiaires ou les équipements sanitaires ?

Un niveau de détail LOD ne doit pas être défini à l’échelle d’un projet, mais bien à l’échelle d’un ouvrage. Le plus important est donc de définir une “charte” propre à chaque projet.

Le Scan to BIM est (encore) un travail humain

Un scanner laser 3D est capable de relever de manière automatique plusieurs millions de points par seconde. C’est un peu comme si vous demandiez à l’intégralité de la population française de vous donner une information simultanément, en moins de cinq secondes, tout en étant capable de votre côté de les écrire dans un fichier informatique. Evidemment aucun travail humain ne peut rivaliser.

Scan to BIM : modéliser une maquette numérique BIM sur la base d'un nuage de points

Scan to BIM : modéliser une maquette numérique BIM sur la base d’un nuage de points.

Pourtant, il est nécessaire de comprendre que l’humain reste bien présent dans le processus. Et justement, au stade de la modélisation des ouvrages sous forme de maquette numérique BIM, il l’est encore beaucoup.

Certaines sociétés proposent d’automatiser une grande partie du travail de remodélisation grâce à des algorithmes, mais une part encore non négligeable des ouvrages ne sont pas reconnus par ces derniers, et une action humaine reste nécessaire pour finaliser le travail.

Comprendre comment travaille un Modeleur BIM, c’est comprendre comment définir les règles du jeu.

 

Voici donc les étapes d’un modélisation de maquette BIM sur la base d’un nuage de points :

  1. Insertion d’un nuage de points dans un logiciel de modélisation de maquette numérique,
  2. Création de vues sectionnant le nuage de points, personnalisation de l’affichage des points (réflectance, couleur, vecteur normal,…), afin d’aider la compréhension humaine de la structure des ouvrages,
  3. Modélisation d’objets 3D (murs, poteaux, dalles…) en s’accrochant sur les points du nuage,
  4. Vérification de la maquette en réalisant des coupes, plans et extraits 3D pour chercher des erreurs de modélisation ou omissions.

Certaines étapes sont automatisables, mais quoi qu’il en soit, l’humain reste le maillon essentiel de l’activité de “Scan to BIM”. Et la collaboration humaine n’est efficace que si elle est régie par des règles : les chartes.

Charte de numérisation et remodélisation 3D

Ces documents sont clairement trop peu employés. Trop peu de BIM Managers ont conscience de son importance capitale. Pourtant, aucune relation contractuelle apaisée ne saurait exister entre un Maître d’Oeuvre ou d’Ouvrage et un prestataire de numérisation 3D sans que les règles du jeu ne soient clairement établies.

Contrat de scan to BIM : vous devez définir précisément vos attentes

Contrat de scan to BIM : vous devez définir précisément vos attentes

L’ambition de nos travaux est d’informer chaque acteur de la construction sur les capacités et limites actuelles de la technologie de numérisation 3D appliquée à la construction, afin qu’un langage commun puisse exister et permettre l’émergence de relations contractuelles apaisées.

 

Voici donc à notre sens la teneur minimale d’une “charte de numérisation 3D” telle qu’elle devrait être rédigée par le commanditaire d’une prestation de scan 3D :

  1. Explication du contexte du projet justifiant une prestation de numérisation 3D,
  2. Présentation de la finalité de la numérisation 3D : pourquoi faire, avec quels logiciels, dans quel but ?
  3. Présentation des conditions d’accès au site, des éventuelles limites pouvant avoir un impact sur le type de technologie employé,
  4. Définition du périmètre de numérisation 3D, tant physique (zones) que typologique (ne pas numériser les gaines techniques par exemple),
  5. Définition des livrables attendus : format de nuage de point, méthode de mise à disposition, compatibilité logicielle, précision des données, densité des nuages de points, couleur ou non, bulles photographiques à 360° ou non…

 

Concernant la création d’une maquette numérique BIM sur la base de relevé 3D, voici les éléments indispensable d’une bonne “charte de remodélisation 3D”:

  1. Définition du logiciel employé, ainsi que sa version.
  2. Définition des livrables attendus : format propriétaire ou format interopérable, quelle version, quelle méthode d’export, quelle classification des ouvrages,
  3. Présentation du gabarit de maquette numérique fourni par le commanditaire, ou à défaut présentation de la structure de fichier attendue,
  4. Définition du calage géographique du projet : système de coordonnées, points de calage, orientation de la maquette numérique…
  5. Méthode de modélisation souhaitée : définition des niveaux, liaisons entre ouvrages, découpage des éléments, nommage des familles, utilisation ou non d’objets génériques…

 

Scan to BIM ou Scan versus BIM ?

Nous avons décrit jusqu’à présent un workflow pour lequel les nuages de points constituent la donnée d’entrée (input) et la maquette numérique la sortie (output). Cette chaîne de travail décrit donc une tâche de “rétro-conception” ou “rétro-ingénierie” : la modélisation 3D est basée sur le relevé d’une réalité physique.

Deux constats ont conduit à imaginer un autre type de synergie entre maquette numérique et numérisation 3D :

  1. Comme toute chaîne de travail, une remodélisation peut être erronée, du fait de défaillances humaines ou matérielles,
  2. La construction d’un ouvrage sur la base d’une maquette numérique peut également être défaillante, des écarts pouvant être constatés entre le “tel que construit” et le “tel que conçu”.

Une réponse commune à chacune de ces deux questions consiste en la confrontation d’un nuage de points, considéré comme la seule réalité physique et donc comme point de comparaison, et une maquette numérique BIM, faisant office de donnée de comparaison.

 

Cette activité nommée “scan versus BIM” a deux usages :

  1. Valider la maquette numérique produite dans une démarche de “scan to BIM” : un algorithme calcule les écarts entre les objets 3D de la maquette et le nuage de points. Cette utilisation permet de contrôler le travail du modeleur BIM en aidant à détecter certains oublis ou écarts.
  2. Valider le “tel que construit” : une campagne de numérisation 3D est réalisée en cours ou au terme de la construction d’un bâtiment, puis le nuage de points est confronté à la maquette numérique BIM (le “tel que conçu”). Cette utilisation permet de vérifier le travail d’une entreprise de construction en comparant ce qui était prévu et ce qui a été réalisé.
Contrôle d'exécution par comparaison en un bâtiment scanné "tel que construit" et la maquette BIM de l'ouvrage "tel conçu" https://medium.com/reconstruct-inc/use-images-for-proactive-project-controls-on-construction-sites-f9c371359c9c

Contrôle d’exécution par comparaison en un bâtiment scanné “tel que construit” et la maquette BIM de l’ouvrage “tel conçu” – Reconstruct Inc.

Réaliser une mission de “Scan versus BIM” permet donc de mener un contrôle de la qualité de production, qu’il s’agisse d’un produit numérique (maquette) ou d’un produit physique (bâtiment réel).

Ce type d’usage illustre à merveille les progrès actuels du secteur de la construction, qui s’empare désormais de techniques de rétro-ingénierie auparavant réservées aux industries de pointe.

Clément VALENTE

Expert en construction numérique

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