Les concepteurs de villes intelligentes sont à la recherche de solutions technologiques pour améliorer l’efficacité, réduire les émissions et simplifier les processus de construction.
Par Pictet Asset Management.
Mesurant cent mètres de haut et occupant une surface au sol de 1,7 km2, le New Century Global Center de Chengdu, en Chine, est le plus grand bâtiment de la planète.
Cette structure imposante abrite des magasins, des logements, des bureaux, des cinémas et des restaurants – un témoignage époustouflant du boom du secteur de la construction chinois, qui représente la moitié de l’utilisation mondiale de ciment, d’acier et de béton1.
La Chine n’en est pas le seul moteur.
A l’échelle mondiale, la consommation de matériaux de construction a triplé, passant de 6,7 milliards de tonnes en 2000 à 17,5 milliards de tonnes, avec à la clé des émissions de carbone et la production de déchets au cours du cycle de vie des bâtiments.
«La construction étant responsable de 40% des émissions mondiales de carbone, la dématérialisation et une industrie plus verte se sont hissées en tête des priorités», déclare Carlo Ratti, associé fondateur de CRA-Carlo Ratti Associati et directeur du MIT Senseable City Lab.
«Mais pour y parvenir, nous devons nous adapter à de nouvelles méthodes de construction et recourir à des technologies innovantes.»
A l’échelle mondiale, dans le secteur de la construction, la croissance de la productivité a stagné ces vingt dernières années, en net contraste avec l’industrie manufacturière, où la productivité a augmenté de 3,6% au cours de la même période1.
Au sein de l’UE, le secteur représente 8% du PIB, mais seulement 0,8% des dépenses en recherche et développement, un moteur majeur de la croissance de la productivité.
Les pratiques de construction n’ont pas connu de transformation majeure depuis plusieurs décennies. Traditionnellement, elles utilisent des composants simples et impliquent un processus d’assemblage complexe sur le site du chantier.
En moyenne, la construction d’un bâtiment nécessite l’utilisation de plus de 7 000 composants différents, qui doivent être assemblés pour former un tout fonctionnel.
Pour réaliser des gains d’efficacité et réduire l’impact environnemental, le secteur doit trouver des moyens de simplifier les processus de construction.
Fait encourageant, des solutions technologiques commencent à émerger.
Technologies émergentes
Au niveau de la conception, les nouveaux logiciels de modélisation des données des bâtiments (BIM) promettent de transformer l’étude, la conception et la construction de ces derniers.
Ils utilisent des données pour représenter virtuellement une infrastructure physique, pouvant ainsi être modélisée et élaborée sur une plateforme ouverte dans le Cloud. Les applications BIM permettent aux entreprises de construction d’analyser plus facilement des facteurs complexes comme la quantité de ciment, d’acier et de bois à utiliser, ainsi que les émissions de carbone et de déchets.
Les systèmes à commande numérique par ordinateur (CNC) constituent une autre technologie utile pour automatiser certains processus de construction. En utilisant les données d’un double numérique (une réplique numérique d’actifs physiques), la CNC préprogramme les machines pour produire des composants en série à l’aide d’outils tels que des fraises, des tours, des perceuses, des meuleuses, des jets d’eau et des lasers.
Les outils de gestion de la chaîne d’approvisionnement (SCM) peuvent désormais être associés à ces doubles numériques pour automatiser la production, la livraison et l’installation de composants. La SCM permet également de réduire au minimum les volumes de stockage et les activités d’assemblage sur site grâce à la livraison des matériaux dans des emballages extra-plats optimisés selon le principe du «juste à temps».
La réalité augmentée (RA) peut en outre servir à optimiser l’assemblage sur site. Les ouvriers sur site peuvent aussi bénéficier de conseils en temps réel et d’une assistance technique à distance pour l’installation.
La RA peut réduire le temps nécessaire aux ouvriers peu expérimentés pour comprendre les données de conception. Une étude a montré que les applications de RA réduisaient de moitié le temps nécessaire à l’assimilation de ces données. Une autre étude révèle que l’approche basée sur la RA permet de rationaliser le processus décisionnel de 77% et d’améliorer l’efficacité lors du choix du matériau des panneaux3.
Matériaux 2.0
Pour autant, l’adoption de nouvelles méthodes de construction ne suffira pas. Ces efforts seront vains si le secteur continue à utiliser des quantités considérables de ciment et d’acier dommageables pour l’environnement.
Ces matériaux représentent environ 85% du contenu carbone total d’un bâtiment type, c’est-à-dire des émissions générées pendant la phase de construction, comprenant l’extraction des matières premières, la fabrication, le transport, l’installation et l’élimination des déchets4.
Le béton a un impact particulièrement lourd sur l’environnement. Il s’agit du matériau non naturel le plus utilisé sur la planète, et peut-être du plus nocif, compte tenu de son empreinte carbone: l’industrie du ciment représente 8% des émissions mondiales de CO2. De plus, le béton est difficile à fabriquer à grande échelle en usine – traditionnellement, il est coulé dans des moules sur site et prend du temps à durcir.
Ces dernières années cependant, les entreprises ont testé de nouvelles méthodes pour obtenir un béton plus efficace et écologique.
La société Precast Concrete, basée à Singapour, produit ainsi du béton préfabriqué et prémoulé qui accélère le processus de construction.
D’autres entreprises utilisent des additifs chimiques pour améliorer l’efficacité énergétique du processus de fabrication et produire un béton plus durable. L’entreprise chimique suisse Sika a, quant à elle, développé une technologie permettant de recycler les déchets de démolition de béton dans le cadre d’un processus innovant, qui capte une quantité significative de CO2.
Des efforts sont également déployés pour décarboner l’acier.
L’acier est compatible avec les systèmes de fabrication CNC, car il se prête facilement à la création de pièces très spécifiques. Il s’agit cependant d’un matériau très énergivore, impliquant souvent l’utilisation de hauts fourneaux polluants. Quelques start-up produisent déjà de l’acier neutre en carbone, basé sur des alternatives vertes à la houille de coke, sur des énergies renouvelables et sur des systèmes de captage et de stockage du carbone.
Des technologies de four modernes et plus écologiques, notamment celles utilisant l’hydrogène, réduisent par ailleurs l’intensité carbone de la production d’acier à moins de 0,2 t de CO2 par tonne métrique d’acier, la moyenne mondiale étant de 1,8 t de CO2 par tonne métrique avec les équivalents les plus «propres» actuellement.
En revanche, elles ne sont pas bon marché: sur 20 ans, elles reviennent 20 à 25% plus cher que l’acier classique5.
Le bois est une autre alternative écologique à l’acier.
En effet, le bois a de solides références comme matériau de construction durable. Le bois est historiquement utilisé dans la construction de bâtiments depuis des siècles, partout dans le monde, grâce à sa durabilité. Toutefois, ces dernières décennies, la part de ce matériau dans la construction a reculé face à la popularité du béton et de l’acier, considérés comme plus durables, plus résistants à la putréfaction et plus faciles à produire en masse.
Actuellement cependant, le bois connaît un nouvel essor grâce aux technologies d’ingénierie de nouvelle génération. Le bois lamellé-croisé (CLT) est un des produits les plus prometteurs: il s’agit d’un panneau de construction en bois scié, collé et stratifié. Le CLT, un matériau à faible teneur en carbone, est aussi résistant que le béton, mais cinq fois plus léger6.
«Il convient parfaitement à la production complexe et aux assemblages simples sur site», explique Ratti. Les avancées technologiques et les changements de réglementation actuels vont se traduire par une augmentation de l’utilisation du CLT dans tous les types de construction, des complexes de bureaux aux immeubles de grande hauteur.
L’utilisation de CLT et de bois lamellé-collé (un autre type de produit d’ingénierie structurelle en bois) comme alternatives à l’acier structurel et aux dalles de béton permet de réduire davantage le contenu carbone des bâtiments. Le gain de popularité du bois comme matériau de construction est dû à des avancées telles que le CLT. Aux États-Unis, le nombre de bâtiments en bois double ainsi tous les deux ans.
D’ici 2035, ce chiffre devrait atteindre 24 000 unités. À ce stade, le secteur de la construction stockerait plus de carbone qu’il n’en émet.7
« Le CLT sera de plus en plus présent dans tous les types de construction, des vastes complexes de bureaux aux immeubles de grande hauteur. »
L’avenir de la construction
Pour atteindre la neutralité carbone, le monde a besoin d’un secteur de la construction rationalisé et plus durable. Les nouvelles technologies telles que le BIM et la CNC ainsi qu’une série de matériaux de construction alternatifs peuvent y contribuer.
[1] Huang., B et al (2020) A Life Cycle Thinking Framework to Mitigate the Environmental Impact of Building Materials
[2] Étude McKinsey
[3] Xu et al (2022) A Review of Using Augmented Reality to Improve Construction Productivity
[4] Modélisation pour un bâtiment commercial type de huit étages. Source: McKinsey
[5] https://www.mckinsey.com/capabilities/sustainability/our-insights/net-zero-steel-in-building-and-construction-the-way-forward
[6] College of Natural Resources
[7] North American Mass Timber Report: 2020 State of the Industry
