Système de construction modulaire pour logement multi-générationnel

Montrant l’applicabilité de ce mode de construction, les résultats ont été obtenus par des expériences en vraie grandeur sur des éléments de construction du système. De plus, un projet de démonstration a été développé de manière à montrer l’éventail des possibilités de conception, tant en plan qu’en élévation.

Le projet inclut la conception et le calcul de l’ossature principale ainsi que la démonstration des performances thermiques du bâtiment conformément à la directive EnEv (directive relative aux réductions de consommations d’énergie et de production de CO2 du bâtiment) ainsi que les calculs d’isolation acoustique.

La première étape a été de définir la forme et les dimensions du bâtiment en tenant compte des exigences du client.

L’adaptabilité, l’efficacité économique et les performances relatives à l’environnement, depuis la conception jusqu’à la fin de vie et la maintenance du bâtiment, en passant par

la préfabrication et le montage, ont été les principaux aspects qui ont influencé la conception.

L’acceptation d’un bâtiment résidentiel multi -étagé, fait d’éléments modulaires de la taille d’une pièce dépend de questions relatives à l’espace privé, à la qualité de l’ouvrage et en particulier celle relative à l’isolation acoustique.

Une des difficulté identifiée et importante était de proposer une conception évolutive au cours des générations en considérant les aspects de fonctionnalité, de flexibilité et la liberté de l’usage des espaces.

Un autre but majeur du développement des systèmes de construction modulaire était d’augmenter la part de l’acier dans la construction de bâtiments résidentiels et de montrer aux propriétaires combien il est important de protéger l’environnement en construisant à l’aide d’une technologie architecturale écologique et économique.

Ce projet a été développé par le bureau d’architectes 3L et a pour but de créer et développer une maison de génération, conçue à partir de méthodes de construction modulaire offrant une large part à l’acier et qui s’adapte très bien à l’évolution de la taille des familles.

Les escaliers relient les éléments entre les différents niveaux.

“Chaque déménagement amène

son lot de difficultés. Si nous

avons la possibilité de vivre

dans une maison unique mais

évolutive, nous l’utiliserons.”

La famille Hellmund.

L’ACIER DANS LES BÂTIMENTS RÉSIDENTIELS POUR UNE CONSTRUCTION DURABLE

Conception d’un système modulaire

Un bâtiment flexible et à usage variable a été conçu en fonction de son aménagement en plan. La conception du rez-de-chaussée a démontré la souplesse de la trame pour les réaménagements à partir du projet initial, en termes d’espace supplémentaire nécessaire à la taille future de la famille.

La composition du bâtiment en modules n’est pas exclusivement influencée par la faisabilité technique et l’utilisation efficace des matériaux, mais elle dépend aussi des possibilités logistiques. Pour cette raison, la trame de base repose sur une grille de 3 m x 15 m, avec l’option de diviser les modules en deux unités de 3 m x 7,5 m.

Pour les variations suivantes, le choix de ne pas avoir des murs porteurs intermédiaires a permis à l’architecte de développer de nombreuses solutions en fonction des différents groupes d’occupants et de leurs types de besoins. L’analyse financière a conduit à construire le bâtiment sans sous-sol. De plus, un niveau de bureaux à espace libre a été créé de manière à montrer la possibilité de flexibilité d’aménagement des niveaux. Les premier et second étages du bâtiment sont uniquement dévolus à un usage de logements.

Plan d’insertion montrant l’environnement immédiat et les espaces d’habitat et de travail.

Façade nord-est avec ascenseur et entrée indépendante à chaque niveau.

Niveau rez-de-chaussée à usage de bureaux et de locaux techniques.

Premier étage avec deux logements – 4 pièces, salle de bain et cuisine.

Second étage avec deux logements – 4 pièces avec salle de bains, salle d’eau et cuisine.

Flexibilité d’agencement intérieur

Conception

Matériaux Largeur

Panneau de béton de fibre 10 mm

Lame d’air ventilée 30 mm

Film pare-vent de marque Tyvek 0,2 mm

Isolation thermique Polysyrol (classe 030) 100 mm

Panneau raidisseur à structure ouverte OSB 15 mm

Laine minérale (isolation thermique classe 030) 100 mm

Film polyéthylène (pare-vapeur) 0,2 mm

Plaque de plâtre 2 x 12,5 mm

Matériaux Epaisseur

Panneau de plâtre 12,5 mm

Panneau à structure ouverte OSB 15 mm

Film polyéthylène 0,2 mm

Laine minérale 100 mm

Panneau rigide de fibre 4 mm

lame d’air ventilée 12 mm

Panneau rigide de fibre 4 mm

Laine minérale 100 mm

Film polyéthylène 0,2 mm

Panneau à structure ouverte OSB 15 mm

Panneau de plâtre 12,5 mm

Possibilités des systèmes modulaires

Vu de l’extérieur, l’utilisation d’un système de construction modulaire doit être non apparent, plus particulièrement la forme et les limites de chaque pièce. Le défaut majeur des constructions modulaires est que l’apparence extérieure peut suggérer à l’observateur une construction préfabriquée souvent associée à une impression négative en terme de développement durable et de performances générales.

L’utilisation de l’acier pour une construction modulaire est profitable pour le constructeur, le concepteur et le client. Une comparaison des coûts de construction a montré que ce procédé était 15 % plus économique qu’une construction traditionnelle. La rapidité de montage sur site est une question clef, tout autant que la capacité de réutilisation ultérieure des modules.

L’équipe de conception désirait maximiser l’utilisation des espaces à chaque niveau. Le système utilisé permet cette flexibilité, comme illustré ci-dessous. Le bâtiment peut être adapté pour un usage résidentiel ou tertiaire, aussi bien lors de la conception originale que pour des réaménagements futurs.

Appartement 183,30m²

Appartement 276,90m²

Appartement 383,97m²

Total244,17m²

Disposition en plan pour 3 appartements.

La conception des liaisons verticales et leur intégration dans la construction des planchers a été très soigneusement étudiée. Les détails en coupe horizontale montrent la liaison entre un séparatif intérieur entre deux appartements et la paroi de façade courante. Ce détail a été conçu pour éviter les ponts thermiques et acoustiques, en deux comme en trois dimensions.

Les murs extérieurs d’une épaisseur de 280 mm sont très efficaces en terme d’isolation acoustique. La valeur du coefficient U (déperdition thermique) est inférieure à 0,30 W/m2K. Le mur de séparation a une épaisseur totale de 275 mm, comparable à la solution classique du double mur en briques.

Avec l’isolation et la lame d’air ventilée, l’épaisseur passe à environ 300 mm, rendant la performance de la paroi bien meilleure en termes de physique du bâtiment. Bien sûr ces éléments à base d’acier sont également significativement plus légers que les solutions traditionnelles.

Détails constructifs

Des détails constructifs ont été créés, et les études de performance, incluant une notation de développement durable, ont été menées. L’étude principale avait pour but la vérification des performances en physique du bâtiment. Des calculs pour l’isolation acoustique et thermique ont été menés suivant la législation allemande.

Les détails présentés montrent la situation type pour un angle sortant de bâtiment et une liaison complexe entre un mur extérieur et un mur de séparation entre deux modules de logement, intégrant une isolation acoustique. Les éléments choisis pour réaliser les parois extérieures éliminent les ponts thermiques tout en apportant une excellente performance acoustique.

Liaison Mur extérieur / Cloison séparative interne - Description et dimensions des matériaux utilisés (coupe horizontale) :

Angle sortant de façade - Description des matériaux utilisés de l’extérieur vers l’intérieur :

Illustration montrant la variété des modules.

Angle de mur extérieur

Liaison entre un mur extérieur et un mur séparatif

Vue de la façade nord-ouest.

Ce projet de démonstration a été développé dans le cadre d’un contrat de recherche RFCS 7215-PP-058 et sa valorisation fait partie du projet RFCS – RFS2-CT-2005-0035.

Comparaison des coûts de construction

Les résultats des évaluations financières sont prometteurs. En comparaison avec les constructions traditionnelles en Allemagne, il est possible de bâtir en utilisant la construction modulaire avec des ressources financières inférieures. Le calcul a été fait pour des bâtiments existants et a montré que la construction modulaire peut être 15 % plus économique.

Comparaison – consommation d’énergie électrique

Comparaison des vitesses de construction

Le bâtiment en construction modulaire peut être monté en seule-ment 25 % du temps total nécessaire pour une construction tradi-tionnelle en béton ; dans le cas présent, 3 mois au lieu de 12 mois. Le gain de temps conduit également à un gain financier et un retour sur investissement plus rapide.

Le Fonds de Recherche du Charbon et de l’Acier de la Commission Européenne

3L architects + industrial designers, Horlecke 46, 58706 Menden

Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. Sohnstraße 65 40237 Düsseldorf, Germany www.stahlforschung.de

728 m2 x (surface de plancher chauffé) x 11.4 kWh .p.a; (gain) = 8 299 kWh p.a;

8 229 kWh pa x 0,08 €/kWh = 664 € de gain par année.

(Le calcul est basé sur un coût d’énergie électrique de 0,08 €/kWh)

Etude économique du système modulaire

Etude de faisabilité Coûts du projet Financement / Ressources

Durée de remboursement : 32 ans et 1 mois 1 045 000 €

Coût d’emprunt par an 38 000 €

Rentrées locatives par an (taux d’occupation de 100 %) 44 000 €

Consommation énergétique

La vue nord-ouest montre la quasi transparence du mur rideau, construit à l’aide de montants et lisses en acier.

La combinaison d’une façade en acier et verre, avec élément de remplissage transparent et isolant thermiquement, requise pour l’esthétique extérieure du bâtiment, conduit à une valeur moyenne du coefficient U pour le bâtiment inférieure à 0,30 W/m2K.

La consommation d’énergie nécessaire à la production des matériaux de construction, au processus de préfabrication, dans l’assemblage et dans la logistique, dans les travaux de maintenance et durant l’usage du bâtiment, et finalement, lors de la démolition ou la déconstruction du bâtiment, ont été des thèmes particulièrement étudiés et évalués. Le résumé est présenté ci-dessous :

Nombre de logements (selon la taille de la famille) 5-8 unités

Surface habitable 728 m2

Volume 3 117 m3

Surperficie du terrain 845 m2

Coût de construction du système modulaire 1140 €/m2

Durée de construction approx : 3 mois

Données caractéristiques du projet

Données techniques

140

120

100

80

60

40

20

00

Construction modulaire

Temps de construction en mois

Coû

t en €

/m²

TTC

Construction en béton

1 3 5 7 10 122 4 6 98 11

9 mois plus rapide

14,4% decoût en moins

998 €

1 167 €Période (semaines)

Fondation et plancher de rez-de-chaussée

Montage de modules et des panneaux

Montage des façades et de la toiture

Cloisons (construction sèche)

Finitions et crépis

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Partenaires

Bâtiment Construction Gain en béton modulaire

Coût de préparation 19 266 € 19 266 -/- du chantier 100% 100%

Ossature, garde-corps 977 189 € 830 611 € - 146 578 € et façades 100% 85% - 15%

Coûts rapportés à la SH de 728 m2 1 342 €/m2 1 140 €/m2 - 202 € /m2

Aménagements 19 865 € 19 865 € -/- extérieurs 100% 100%

Coûts additionnels, 150 806 € 128 722 € - 22 084 € frais et assurances 100% 85.3% - 14.7%

Total incluant la TVA 1 167 126 € 998 464 € -168 662 € -14.4%

Bâtiment Construction Gain en béton modulaire

Besoins en énergie 79.2 kWh/m2p.a. 67.8 kWh/m2p.a. -11.4 kWh/m2p.a.

100% 86.7% 13.3%

ECONOMIE D’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE TYPIQUE POUR UNE SURFACE D’APPARTEMENT DE 728 M2

Programme de construction pour un bâtiment typique de 3 niveaux