Le Musée du Futur de Dubaï : construction d'une icône architecturale de 78 mètres

Le Musée du Futur actuellement en construction à Dubaï, Émirats arabes unis (EAU), est l'une des structures les plus complexes jamais construites. Le bâtiment de 78 mètres de haut abrite sept étages dans une coque en forme de tore qui repose sur un podium de trois étages. La façade extérieure du tore comprend 1 024 panneaux composites ignifuges (FR). Revêtus d'acier inoxydable, chaque panneau est une forme 3D unique et intègre de la calligraphie arabe moulée. Le script fluide forme des poèmes décrivant la vision de l'avenir de Dubaï par Son Altesse Cheikh Mohammed ben Rashid Al Maktoum, vice-président et premier ministre des EAU et dirigeant de l'Émirat de Dubaï. Ils servent aussi de fenêtres au bâtiment, faisant entrer la lumière du jour à travers l'intérieur sans colonnes et créant un effet dramatique la nuit via 14 kilomètres d'éclairage LED intégré.

Conçu par Cheikh Mohammed comme un incubateur d'innovation et d'invention, le Musée du Futur est considéré comme l'un des bâtiments les plus avancés au monde, un lieu où les gens peuvent expérimenter et rechercher de nouvelles technologies. C'est aussi un symbole d'architecture qui repousse les limites via la conception numérique et l'utilisation de matériaux plus efficaces. La conception paramétrique a été utilisée pour développer le treillis diagonal en acier — une structure de 2 400 membres d'acier se croisant diagonalement — auquel des dalles de plancher en béton composite et 17 000 mètres carrés de revêtement composite sont attachés, ce dernier utilisant 1 million de mètres carrés de préimpregné époxy renforcé de fibres de verre et de carbone multiaxiaux.

La société dubaïote Affan Innovative Structures a fourni la conception composite des panneaux, ainsi que la fabrication et le soutien à l'installation. « C'est la première fois qu'un tel projet est entrepris », déclare le PDG de l'entreprise, Dr. Amer Affan. « Et aussi la première fois que des panneaux composites ont été utilisés pour intégrer de multiples fonctions de bâtiment via de telles formes complexes. »

L'architecte principal Shaun Killa explique que de tels extérieurs complexes sont normalement des pare-pluie, avec un bâtiment derrière qui contient le système d'étanchéité. « Cela simplifie les choses car c'est un peu plus indulgent lors de la création de ces formes très tridimensionnelles », note-t-il. « Dans ce bâtiment, cependant, l'enveloppe assure l'étanchéité, l'étanchéité à l'air, la structure et l'éclairage. » Affan concède que pour un projet aussi grandiose, son entreprise est petite, « mais nous avons utilisé notre expertise technique pour réaliser quelque chose d'unique et avons montré comment les bâtiments seront construits à l'avenir. »

Capacité en conceptions complexes et numériques

Affan Innovative Structures a été contactée initialement par l'équipe d'ingénierie du Musée du Futur. « Il n'y avait pas beaucoup d'entreprises capables de faire le travail requis pour le revêtement extérieur », note Affan. « Le seul autre concurrent a proposé un mur-rideau normal avec des panneaux en aluminium ou acier inoxydable à l'extérieur. » Les murs-rideaux, généralement utilisés en plus d'une structure en acier, sont minces et faits de cadres en aluminium qui supportent des panneaux extérieurs en verre, métal et/ou pierre mince (voir « L'enveloppe du bâtiment : façades unitaires en PRF »). Cela a été rejeté par l'équipe d'ingénierie comme trop difficile et incapable de fournir la même apparence que possible avec une façade à panneaux composites intégrés et multifonctionnels. Ainsi, cette dernière, proposée par Affan Innovative Structures, a été sélectionnée pour le projet. « Nous avons aussi une technologie unique qui nous permet de faire de grands panneaux », ajoute Affan, « jusqu'à 3 mètres de large sur 9 mètres de haut, courbés dans les deux directions, ce qui signifie moins de joints. »

Affan Innovative Structures était particulièrement adaptée à ce projet. Formée en 2004 par le Dr Affan, l'entreprise fournit des solutions clé en main complètes — de la conception à l'installation et la maintenance du bâtiment — en se tournant vers des défis très techniques. Le CV de l'entreprise inclut l'écran/révêtement en aluminium complexe et géométrique pour le stade King Abdullah Sports City (Djeddah, Arabie saoudite), le dais d'entrée composite et 64 lucarnes en verre et acier à motifs complexes pour le Yas Mall (Abu Dhabi, EAU), le toit extérieur composite pour l'hôpital Sidra (Doha, Qatar) et de nombreux autres projets difficiles. Cette capacité en assemblages complexes en acier, verre et composites serait exactement ce dont avait besoin l'extérieur composite multifonctionnel du Musée du Futur.

« À l'intérieur de chaque panneau composite, il y a un système de panneaux de verre plats à l'intérieur du script arabe », explique Affan. « Le verre est presque encastré à l'intérieur des panneaux, jusqu'à 200 millimètres de profondeur. » Cette encoche change non seulement du sommet du bâtiment, avec moins d'encoche pour éviter l'accumulation d'eau, jusqu'au bas, où les panneaux verticaux et en sous-coupe peuvent être profondément encastrés sans piéger l'eau, mais aussi à l'intérieur de chaque panneau, en s'inclinant et diminuant pour produire un bord naturel et progressif pour le script. « L'emplacement et les bords de l'encoche variaient également selon l'emplacement du verre dans le panneau car le verre était plat mais les panneaux étaient courbés », note Affan. « Cela n'était possible qu'avec la conception numérique et l'usinage CNC. » Cette précision serait également nécessaire pour garantir que le script, qui variait d'un panneau à l'autre, s'alignait précisément lors de l'installation pour que les lettres et les mots s'écoulent correctement sur l'extérieur du bâtiment.

Pour Affan, la seule solution était de mouler le script arabe et les encoches dans chaque panneau composite. « Les renforts seraient placés dans des moules usinés CNC avec précision », explique-t-il. Heureusement, le logiciel CATIA (Dassault Systèmes, Vélizy-Villacoublay, France) qu'Affan Innovative Solutions utilise pour piloter ses machines CNC est aussi le programme de CAO 3D utilisé par l'industrie aérospatiale pour concevoir des avions complexes et des structures composites. De plus, l'équipe de 28 ingénieurs d'Affan maîtrise également le logiciel Tekla BIM, Rhino 3D (Robert McNeel & Assoc., Seattle, Wash., États-Unis) et AutoCAD d'Autodesk. « Nous avons fait tous les dessins dans CATIA, ainsi que la conception du stratifié, ce qui nous a donné la capacité de faire un tel usinage complexe », dit Affan.

La conception n'était cependant pas triviale et devait répondre à une variété de charges structurelles et de vent. Par exemple, l'intérieur du tore créait un effet de tunnel de vent, explique Affan. Ces panneaux doivent résister jusqu'à 450 kg/m² (92 lb/ft²) de charge de vent. (Note, le Code international du bâtiment liste des charges de vent de 71 lb/ft² pour les zones à haut risque d'ouragan à West Palm Beach, Floride, États-Unis). Les panneaux composites pour le Musée du Futur sont également adaptés pour minimiser le poids. « Les panneaux utilisent 9 à 13 plis, qui varient selon l'emplacement et la charge », dit Affan. Il ajoute que le Composite Technology Center (Stade, Allemagne), une filiale d'Airbus et partenaire de longue date via l'organisation professionnelle CFK Valley eV (Stade, Allemagne), « a fourni une vérification tierce de notre conception de stratifié, de flèche et de calculs de rigidité. »

Une complexité et une innovation supplémentaires : les panneaux intègrent aussi leur propre système de fixation. « Aux bords, 24 plis forment la géométrie de fixation type cassette pour se connecter au bâtiment », explique Affan. Un système cassette est une méthode pour fixer un revêtement extérieur, développée à l'origine pour les installations de type pare-pluie. Bien que les types et géométries varient, les cassettes permettent généralement une surface extérieure plate et étanche à la pluie qui est fixée derrière à la structure portante du bâtiment. Pour les panneaux de façade du Musée du Futur, des pièces séparées n'étaient pas nécessaires pour former les bords de cassette, mais étaient usinées dans chaque moule et ainsi intégrées dans chaque panneau composite.

Matériaux, moules et fabrication des panneaux

Même si les 10 000 mètres carrés d'espace de fabrication composite d'Affan Innovative Structures disposent de 16 machines à infusion de résine et de huit tables d'infusion à plateau en verre et base en acier mesurant 3 mètres sur 20 mètres, l'entreprise a choisi d'utiliser du préimpregné. Pourquoi ? « Atteindre la performance FR nécessaire nécessite beaucoup d'additifs, donc la résine devient épaisse et ne coule pas en infusion », explique Affan. Dans ce cas, l'additif était l'hydroxyde d'aluminium trihydraté (ATH, voir « Résister au feu sans le poids »). Il continue : « Ainsi, nous avons travaillé avec Notus Composites [Ras Al Khaimah, EAU] pour développer un préimpregné époxy FR. Nous avons principalement utilisé de la fibre de verre mais aussi de la fibre de carbone dans certaines sections où il y avait des problèmes de flèche. » Approuvé par la Défense civile de Dubaï, le préimpregné Notus Composites EPFR-609, en combinaison avec le film de surface NE11-FR, a passé les exigences de feu NFPA 285, EN13051-1 et ASTM E1098 et E84 Classe A (voir « Préimpregnés ignifuges permettent... » et « Meilleur dépistage, moins cher des matériaux PRF pour le bâtiment »).

Comme les surfaces métalliques extérieures à Dubaï peuvent atteindre des températures de 80 °C (176 °F) en été, Affan explique : « nous avons polymérisé le préimpregné à 120 °C pour assurer un Tg (température de transition vitreuse) suffisant pour résister à la flèche due à la chaleur. Ainsi, les moules étaient usinés dans une mousse de polyuréthane qui pouvait résister à cette haute température, ce qui est plus cher. Nous avons essayé trois ou quatre mousses différentes, mais une seule a pu résister à la température plus la pression sous vide, et pourtant était assez tendre pour être usinée CNC facilement et rapidement. »

L'usinage CNC de chaque moule a pris 12 à 72 heures et chacun des 1 024 panneaux composites nécessitait son propre moule. Les quatre machines CNC 5 axes CMS (Zogno, Italie) d'Affan Innovative Structures — la plus grande mesurant 33 mètres de long sur 13 mètres de large sur 2,5 mètres de haut — étaient toutes nécessaires pour respecter le rythme de production exigeant du musée. « Si une [machine] était en panne pour maintenance, nous avions les autres qui tournaient en parallèle », explique Affan.

Les plis de préimpregné étaient découpés et mis en kits à l'aide d'une découpeuse automatisée (Bulmer, Mehrstetten, Allemagne). « Nous n'avons pas utilisé de noyau dans les panneaux car, contrairement à aujourd'hui, il n'y avait pas de noyaux en mousse à cette époque qui pouvaient passer les exigences FR », dit Affan. Même avec une telle automatisation, les 250 employés de l'entreprise, un total atteint en 2015, étaient également nécessaires pour livrer la production, avec une moyenne de quatre panneaux par jour. Des équipes de six ouvriers, chacune avec un superviseur et un ensemble équilibré de compétences pour être efficaces, stratifiaient les panneaux. « Normalement, nous aurions deux ou trois équipes sur un projet », note Affan, « mais pour respecter ce planning de production, nous avions 20 équipes travaillant à tout moment. »

Étapes de fabrication

Étape 1 : La mousse de polyuréthane est fraisée en moules de précision. Source pour toutes les images des étapes de fabrication | Affan Innovative Solutions

Étape 2 : Le préimpregné fibre de verre/époxy est déposé à la main dans les moules.

Étape 3 : Les stratifiés préimpregnés sont mis sous vide et polymérisés au four pendant 6 heures à 120 °C.

Étape 4 : Les panneaux démoulés sont préparés pour le collage adhésif de la finition en acier inoxydable.

Étape 5 : Les hexagones en acier inoxydable sont collés et fixés mécaniquement aux panneaux PRF.

Étape 6 : Les panneaux finis sont levés pour l'installation.

Étape 7 : Chaque panneau est ajusté via un « joint universel » 3D unique.

Étape 8 : Chaque panneau est ajusté via un « joint universel » 3D unique pour obtenir une façade extérieure lisse et alignée.

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Les stratifiés étaient déposés à la main, mis sous vide et polymérisés 6 heures dans des fours mesurant 20 mètres de long sur 8 mètres de large sur 3 mètres de haut. « Chaque machine CNC avait son propre four », dit Affan. « Nous n'avons pas regroupé plusieurs panneaux par cycle de polymérisation. Au lieu de cela, quand chaque panneau était prêt, nous le polymérisions immédiatement pour maintenir un flux de production aussi élevé que possible. Nous démoulions ensuite les panneaux et utilisions un scanner 3D pour nous assurer que le panneau tel que fabriqué correspondait au fichier CATIA. Selon notre système de contrôle qualité total, nous devions vérifier par rapport aux fichiers numériques à chaque étape du processus. »

Les panneaux finis ont ensuite reçu la finition extérieure en acier inoxydable. « L'acier inoxydable est collé adhésivement à chaque panneau et ensuite fixé avec des fixations mécaniques, ce qui est un art en soi », dit Affan. « Le métal était découpé en petits hexagones afin de draper sur les panneaux 3D. La grille hexagonale variait d'une pièce à l'autre selon la courbure. Même si nous avons de l'expérience et de la confiance dans le collage, il ne pouvait y avoir aucun risque qu'un seul hexagone se décolle pendant la durée de vie du bâtiment. Ainsi, chaque hexagone devait être fixé — nécessitant jusqu'à 200 à 300 fixations pour un seul panneau. » Les panneaux finis étaient ensuite envoyés sur site pour être installés.

Installation sans problème assistée par la NASA

L'installation a été en réalité réalisée par l'entreprise de construction du bâtiment BAM International (Gouda, Pays-Bas). « Nous n'avons fourni que des superviseurs pour l'installation afin d'aider à la manipulation des panneaux », note Affan. « La façon dont chacun est levé est cruciale. Les panneaux étaient conçus pour être assez solides pour leur position spécifique dans le bâtiment. Cependant, ils doivent être levés d'une manière spécifique, via au moins deux points de levage, tout comme pour suspendre des cassettes dans les méthodes de construction plus traditionnelles. »

Il y avait un problème supplémentaire qu'Affan était particulièrement qualifié pour résoudre. « Pour que chaque panneau repose sur la structure en acier et forme pourtant une surface lisse, nous avions besoin de la capacité d'ajuster le panneau en profondeur, orientation et courbure en 3D — en d'autres termes, une sorte de joint universel à trois degrés de liberté. En 1985, j'ai travaillé comme étudiant à la NASA en Californie sur l'amortissement des structures de station spatiale. La clé était de pouvoir déplacer chaque structure et l'ajuster quand la navette s'amarre pour que les vibrations soient amorties rapidement, un peu comme l'annulation de bruit. J'ai utilisé la même technologie pour la fixation et l'ajustement des panneaux pendant l'installation. »

De plus, comme les panneaux assuraient l'étanchéité du bâtiment, il ne pouvait pas y avoir d'espaces entre eux. « Les panneaux ne pouvaient pas se toucher directement, sinon ils pourraient se fissurer », dit Affan, expliquant qu'en raison d'une charge vive élevée de 1,5 tonne sur la zone d'exposition en cantilever du 6e étage, la structure en acier bouge réellement. « Nous avons maintenu un espace précisément espacé entre les panneaux et celui-ci a été rempli avec un joint spécial. » Ce joint, assez tendre pour se dilater, mais assez rigide pour résister à la charge, assurait la fonction d'étanchéité tout en permettant l'apparence esthétique du bâtiment.

De telles solutions sont un avantage, note Affan. « Parce que nous venons d'un arrière-plan structures, nous sommes capables de combiner de nombreux matériaux. C'est très important. Les composites ne sont qu'un matériau que nous utilisons. Ce n'était pas juste un projet composite. » Les résultats parlent d'eux-mêmes. « L'installation s'est bien passée ; il n'y a eu aucun problème du tout », dit Affan, qui note qu'il n'y avait aucun moyen de vérifier si le panneau s'adapterait sauf à assurer sa conformité au fichier numérique. « Nous n'avons pas encore eu un panneau qui n'ait pas ajusté ou qui ait eu la mauvaise forme ou le mot mal orthographié », a témoigné le chef de projet de Buro Happold, Bauly, dans un article de la BBC par Elizabeth Bains.

Construction modulaire future

« Nous avons géré tout le processus ensemble », ajoute Affan. « Le travail d'équipe au sein de notre entreprise elle-même était aussi clé ; les groupes de conception et de stratification devaient se coordonner. Nous n'avons jamais fait un travail aussi grand que celui-ci, et c'était un défi, mais nous aimons les défis. »

Malheureusement, le COVID-19 a fait des ravages. « Nous avons fini ce travail juste avant le confinement de la pandémie », dit-il. « Maintenant, nous sommes descendus à moins de 30 personnes. C'est dévastateur. Mais cela a affecté tout le monde, pas seulement nous. » Et pourtant, Affan voit de l'espoir pour l'avenir et pour le rôle que les composites joueront pour atteindre la durabilité et l'innovation dont le monde a besoin dans la construction. « Surtout à Dubaï et au CCG (Conseil de coopération du Golfe), les gens veulent essayer de nouvelles idées. Cela démontre l'avenir de l'architecture et de la construction. »

Cet avenir, souligne-t-il, sera pour ceux qui peuvent utiliser des systèmes modulaires de construction, « et le COVID-19 accélère en fait cela. Les entreprises construiront en modules et les enverront sur le site. Cela se développera car cela déplace les inefficacités hors site et dans une usine, augmentant le contrôle et la qualité. Sur site, vous devez coordonner toutes les personnes. Cela perd du temps, à attendre les autres sous-traitants. Vous dépendez aussi de la météo et des arrêts de travail. La fabrication en usine élimine tout cela. Parce qu'ils sont assez solides, légers et durables pour être transportés et installés facilement, les composites permettent ce type de construction modulaire et vous pouvez faire toutes les formes que vous voulez. »

Affan note que la construction modulaire est utilisée dans les navires de croisière depuis des ans, où chaque cabine est préfabriquée, complète avec chauffage/climatisation, électricité et plomberie, puis assemblée dans la structure en acier du navire comme des blocs LEGO. « Imaginez combien de temps vous économiserez quand chaque module est déjà équipé. Nous regardons maintenant un projet pour faire un gratte-ciel de cette façon en utilisant des composites », dit-il. « Si vous avez des résines FR, alors vous n'avez pas besoin des pièces qui étaient auparavant en métal. » Citant un hôtel Marriott construit de cette façon et achevé l'an dernier à New York, Affan ajoute : « ce bâtiment était en acier et bois, mais nous pouvons le construire en composites. »