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Mastère spécialisé : Management de Projets de Construction – Option BIM et maqu

Mastère spécialisé : Management de Projets de Construction – Option BIM et maquette numérique Thèse professionnelle Le BIM pour l’estimation et l’optimisation de la consommation énergétique du bâtiment en phase exploitation Louis CHAUVEAU, Promotion octobre 2019-2020, Diffusion libre Mastère spécialisé : Management de Projets de Construction – Option BIM et maquette numérique Louis Chauveau : Le BIM pour l’estimation et l’optimisation de la consommation énergétique du bâtiment en phase exploitation 1/183 Mastère spécialisé : Management de Projets de Construction – Option BIM et maquette numérique Louis Chauveau : Le BIM pour l’estimation et l’optimisation de la consommation énergétique du bâtiment en phase exploitation 2/183 Fiche de confidentialité Mastère spécialisé : Management de Projets de Construction – Option BIM et maquette numérique Louis Chauveau : Le BIM pour l’estimation et l’optimisation de la consommation énergétique du bâtiment en phase exploitation 3/183 Fiche de synthèse Mastère spécialisé : Management de Projets de Construction – Option BIM et maquette numérique Louis Chauveau : Le BIM pour l’estimation et l’optimisation de la consommation énergétique du bâtiment en phase exploitation 4/183 REMERCIEMENTS Mon entrée au CESI dans la promotion Mastère Spécialisé Management de Projets de Construction – Option BIM et Maquette Numérique n’aurait pas été envisageable sans une entreprise me proposant de prendre part à ses projets. Je tiens donc à remercier le CESI qui m’a accueilli au sein de ses effectifs cette année. Les deux principaux acteurs de la validation de ma candidature et de mon intégration ont été Lionel POISSON et Omar DOUKARI. Ainsi, le CESI a fait preuve de beaucoup de confiance quant à motivation, mes capacités et mon potentiel. Dès mes premiers jours en entreprise, les équipes ont confirmé cette confiance qu’ils avaient placés en moi en me donnant des missions diverses et en mettant à ma disposition toutes les ressources et les pouvoirs nécessaires pour atteindre les objectifs. Le personnel de LINEACT, le département de recherche du CESI, m’a permis de participer à ses travaux de recherche et d’innovation autour du smart building notamment à travers des états de l’art et des solutions présentées en partie dans ce rapport de thèse. Les intervenants du CESI m’ont apporté des connaissances applicables très rapidement au niveau professionnel. Ce savoir a été indispensable pour la rédaction de ce rapport. Je tiens également à remercier les enseignants formateurs et les équipes du CESFA BTP, l’école d’ingénieurs CESI, qui m’ont aidé à acquérir les compétences nécessaires pour obtenir, deux années plus tôt, mon diplôme d’ingénieur BTP sans lequel je ne pourrais pas suivre cette année de mastère spécialisé. Couverture : Figure 46 : Visualisation de la maquette numérique N3 et de son modèle énergétique dans REVIT. Mastère spécialisé : Management de Projets de Construction – Option BIM et maquette numérique Louis Chauveau : Le BIM pour l’estimation et l’optimisation de la consommation énergétique du bâtiment en phase exploitation 5/183 SOMMAIRE Fiche de confidentialité ........................................................................................................................... 2 Fiche de synthèse .................................................................................................................................... 3 REMERCIEMENTS .................................................................................................................................... 4 SOMMAIRE .............................................................................................................................................. 5 Table des figures et des illustrations ....................................................................................................... 9 Glossaire ................................................................................................................................................ 13 I. Introduction ........................................................................................................................................ 16 II. Cadrage de la thèse ....................................................................................................................... 19 Démarche de la thèse ............................................................................................................ 19 Enjeux .................................................................................................................................... 20 II.2.1 Le CESI : une maîtrise d’ouvrage ................................................................................... 20 II.2.2 La recherche pour la performance énergétique et environnementale du bâtiment avec le projet FEDER GPS ....................................................................................................................... 21 Analyse du besoin .................................................................................................................. 21 II.3.1 Structuration initiale...................................................................................................... 22 II.3.2 Intégration systémique ................................................................................................. 23 II.3.2.a Analyse fonctionnelle ................................................................................................ 23 II.3.2.b Caractérisation des domaines et des fonctions ........................................................ 25 Indicateurs de suivi et d’atteinte des objectifs ..................................................................... 28 Synthèse des objectifs SMART de la thèse ............................................................................ 28 II.5.1 Spécifiques..................................................................................................................... 29 II.5.2 Mesurables .................................................................................................................... 29 II.5.3 Acceptables ................................................................................................................... 30 II.5.4 Réalistes ......................................................................................................................... 30 II.5.5 Temporels : Macro-planning de la thèse ....................................................................... 30 Périmètre de la thèse ............................................................................................................ 31 III. Exploration de l’état du BIM pour l’optimisation de la consommation énergétique au CESI, en recherche et dans les entreprises ......................................................................................................... 33 État de l’existant : L’optimisation de la consommation énergétique au CESI ...................... 33 III.1.1 La recherche pour l’optimisation de la consommation énergétique des bâtiments en exploitation au CESI ....................................................................................................................... 33 III.1.1.a Nanterre 3 : Le bâtiment du futur ......................................................................... 33 III.1.1.b La gestion de la donnée issue des capteurs de Nanterre 3 ................................... 34 III.1.1.c La représentation de l’état du jumeau numérique grâce aux bases de données et au format IFC .................................................................................................................................. 34 Mastère spécialisé : Management de Projets de Construction – Option BIM et maquette numérique Louis Chauveau : Le BIM pour l’estimation et l’optimisation de la consommation énergétique du bâtiment en phase exploitation 6/183 III.1.1.d Insertion de la thèse à la suite de l’existant .......................................................... 35 III.1.2 L’optimisation de la consommation énergétique du patrimoine immobilier du CESI en exploitation ................................................................................................................................... 35 III.1.2.a Les études thermiques pour la réalisation de Nanterre 2 et Nanterre 3 .............. 35 III.1.2.b La mise en œuvre du BIM pour l’estimation de la consommation énergétique au CESI ............................................................................................................................... 35 État de l’art et benchmarks des pratiques proposées par la recherche et les entreprises pour l’optimisation de la consommation énergétique du bâtiment en phase exploitation ............. 36 III.2.1 Les enjeux de la consommation énergétique du bâtiment ........................................... 36 III.2.1.a L’influence du secteur du bâtiment dans la consommation énergétique globale 37 III.2.1.b L’influence économique du secteur du bâtiment ................................................. 38 III.2.1.c L’impact du bâtiment en phase construction sur la consommation énergétique mondiale et l’environnement .................................................................................................... 38 III.2.1.d L’impact de l’exploitation du bâtiment sur la consommation énergétique mondiale et l’environnement .................................................................................................... 39 III.2.1.e La politique de réduction de l’impact environnemental et de la consommation énergétique du bâtiment en exploitation ................................................................................. 41 III.2.2 La stratégie de réduction de la consommation énergétique du bâtiment ................... 44 III.2.2.a Les objectifs de l’estimation .................................................................................. 45 III.2.2.b Les problématiques des estimations de la consommation énergétique du bâtiment en exploitation ........................................................................................................... 45 III.2.3 Les solutions innovantes du processus BIM pour l’estimation et la réduction de la consommation énergétique du bâtiment ..................................................................................... 46 III.2.3.a Ce qu’apporte le BIM dans les processus de simulation ....................................... 46 III.2.3.b La simulation via la maquette numérique ............................................................. 47 III.2.3.c La réception des ouvrages assistée par le BIM ...................................................... 53 III.2.3.d La certification assistée par le BIM ........................................................................ 54 III.2.3.e Les outils d’analyse de la consommation énergétique du bâtiment en phase exploitation utilisés en BIM ....................................................................................................... 54 III.2.3.f Les interfaces graphiques utilisateurs ....................................................................... 58 III.2.3.g L’importance du confort et du comportement de l’utilisateur pour l’estimation et la réduction de la consommation énergétique du bâtiment prise en compte grâce au BIM ....... 60 III.2.4 Benchmark : Les solutions BIM pour le pilotage énergétique du bâtiment en exploitation en France ................................................................................................................... 62 III.2.5 Benchmark : L’utilisation du BIM d’études thermiques français .................................. 63 III.2.5.a Pourquoi le BIM n’est pas envisageable pour un grand nombre de bureaux d’études thermiques français ? ................................................................................................. 63 III.2.5.b Le BIM limité au stade 1 pour les bureaux d’études thermiques français parmi les plus volontaires. ........................................................................................................................ 63 Mastère spécialisé : Management de Projets de Construction – Option BIM et maquette numérique Louis Chauveau : Le BIM pour l’estimation et l’optimisation de la consommation énergétique du bâtiment en phase exploitation 7/183 III.2.5.c Les bureaux d’études thermiques au stade 2 : le cas de TIPEE ................................. 64 III.2.6 Le management BIM des projets de construction en France ....................................... 64 III.2.6.a Normes NF EN ISO 19650 ...................................................................................... 64 III.2.6.b Building Smart & MINnD ....................................................................................... 65 III.2.6.c PTNB ...................................................................................................................... 67 III.2.6.d Les usages BIM ...................................................................................................... 68 III.2.6.e L’environnement commun de données (CDE) ...................................................... 69 III.2.6.f Processus BIM ....................................................................................................... 70 Synthèse de l’exploration du BIM pour l’optimisation de la consommation énergétique ... 70 IV. Proposition d’une solution : un processus BIM pour la rénovation énergétique ..................... 72 Justification du choix des outils ............................................................................................. 72 IV.1.1 Le processus BIM tout au long du cycle de vie du bâtiment ......................................... 72 IV.1.2 Référentiels ................................................................................................................... 72 IV.1.3 Outils informatiques ...................................................................................................... 73 Le BIM pour la phase réalisation du projet d’optimisation de la consommation énergétique du bâtiment en phase exploitation ................................................................................................... 74 IV.2.1 Plan de Management des Risques ................................................................................ 75 IV.2.2 La plateforme collaborative .......................................................................................... 76 IV.2.3 Diagnostic en phase programmation ............................................................................ 78 IV.2.3.a Le nuage de points pour la modélisation exacte du bâtiment .............................. 78 IV.2.3.b Le choix d’une stratégie énergétique à partir des informations de la maquette numérique 81 IV.2.4 Phase avant-projet : la certification RT du bâtiment avec CLIMAWIN.......................... 82 IV.2.5 Contrôles de réception de l’ouvrage assistés par le BIM .............................................. 85 Exploitation du bâtiment ....................................................................................................... 88 IV.3.1 Processus pour l’application de la solution développée en recherche ......................... 88 IV.3.2 Architecture système de la solution .............................................................................. 90 IV.3.3 Solution de modélisation du système intelligent et de l’état du bâtiment : choix d’un prototype ....................................................................................................................................... 91 IV.3.4 Solution de modélisation des protocoles dans la maquette ......................................... 93 Bilan intermédiaire pour la proposition de la solution ......................................................... 93 V. Application de la solution : La rénovation énergétique de Nanterre............................................ 95 Rénovation énergétique en phase réalisation ...................................................................... 95 V.1.1 Plateforme collaborative ............................................................................................... 95 V.1.2 Programmation ............................................................................................................. 96 V.1.2.a Le nuage de points une modélisation exacte du bâtiment Nanterre 3 .................... 96 V.1.2.b Contrôle du modèle d’information et du modèle uploads/Ingenierie_Lourd/ le-bim-pour-lestimation-et-loptimisation-de-la-consommation-nergtique-du-btiment-en-phase-exploitation-23.pdf