Qu’est ce que la Maison du Futur ?

La DFAB HOUSE trône depuis février sur le bâtiment NEST de l’Empa et de l’Eawag à Dübendorf. Il s’agit de la première « maison » habitée au monde qui n’a pas seulement été planifiée numériquement, mais aussi construite en grande partie numériquement. En mai, les premiers habitants ont emménagé et testent les solutions de maison intelligente intégrées.

Un paysage désertique à l’envers – c’est peut-être ainsi que l’on peut le mieux décrire le plafond en béton finement structuré et ondulé. Il a été coulé dans des coffrages imprimés en 3D ; avec un mur en béton incurvé, réalisé par un robot de construction, il forme un salon futuriste. Pour faire de l’ombre, les stores s’ouvrent et se ferment automatiquement comme par magie, et il suffit d’exprimer son désir de pizza pour que le smartphone se connecte au service de livraison le plus proche. Ce qui ressemble à un film de science-fiction est devenu réalité à Dübendorf : fin février, la DFAB HOUSE, à la fois intelligente et largement conçue et construite de manière numérique, a ouvert ses portes.

Sortir du laboratoire

La « maison d’habitation » de trois étages trône sur la plus haute des trois plates-formes du NEST. Sur ce bâtiment modulaire de recherche et d’innovation de l’Empa et de l’Eawag à Dübendorf, les chercheurs peuvent, en collaboration avec des partenaires industriels, tester de nouvelles technologies de construction et d’énergie dans des conditions réelles. Le NEST se compose d’un noyau central auquel peuvent être rattachés différents modules de bâtiment, appelés unités. La DFAB HOUSE est l’une de ces unités. En ce qui concerne la numérisation du secteur de la construction, la DFAB HOUSE va bien au-delà de la saisie numérique des données de construction et de la modélisation des informations du bâtiment (BIM) – le bâtiment a non seulement été conçu et planifié de manière numérique, mais il a également été construit dans une large mesure avec des processus numériques et est équipé de nouvelles solutions de maison intelligente.

Huit chaires de l’ETH Zurich ont collaboré avec des partenaires industriels connus pour la construction de la DFAB HOUSE. Dans le cadre du Pôle de recherche national (PRN) « Fabrication numérique », ils ont fait passer pour la première fois plusieurs technologies de construction numériques inédites du laboratoire à des applications réelles. Les technologies numériques ont pour objectif de rendre la planification et la construction non seulement plus efficaces, mais aussi plus durables. En ce qui concerne les solutions SmartHome, la DFAB HOUSE permet de les tester, de les valider et de les optimiser dans des conditions réelles.

Un plafond intelligent

Mais comment cela fonctionne-t-il exactement avec la planification numérique et les robots sur le chantier ? Restons-en au plafond nervuré en béton mentionné au début : le Smart Slab, en français « plafond intelligent ». Aux endroits les plus fins, elle ne mesure que 20 millimètres et est deux fois moins lourde qu’une dalle en béton conventionnelle. Cela permet également d’économiser une quantité considérable de matériau. Et c’est justement là que réside un aspect écologique durable. Jusqu’à présent, l’industrie du bâtiment a tendance à produire toujours les mêmes plafonds massifs, car le béton est bon marché et disponible en abondance. Cela entraîne une consommation élevée de matériaux et donc un mauvais bilan CO2. Grâce à un logiciel de planification spécialement conçu à cet effet, le plafond de la DFAB HOUSE a toutefois pu être optimisé sur le plan statique et structurel de manière à obtenir la stabilité nécessaire avec moins de matériau.

« Ce qui est nouveau avec la fabrication numérique, c’est que nous ne réalisons pas seulement le processus de conception et les calculs sous forme numérique, mais aussi certaines parties de la construction elle-même », explique Konrad Graser, chef de projet de la DFAB HOUSE, avant d’ajouter : « Pour le plafond, par exemple, l’impression des coffrages ». Pour une structure aussi complexe, c’est d’ailleurs absolument nécessaire. Une imprimante 3D a été utilisée à cet effet : en impression 3D, la complexité de la géométrie d’un élément de construction ne fait aucune différence – l’imprimante imprime simplement ce qu’on lui ordonne. Un béton performant, renforcé par des fibres, a ensuite été coulé dans ce moule négatif, afin que la structure géométrique complexe puisse être extraite avec une finesse de l’ordre du millimètre. Il s’agit de mettre en évidence de nouvelles possibilités techniques. Graser explique le remarquable plafond nervuré de la manière suivante : « Nous avons choisi un langage formel spécifique qui montre simplement comment on peut concevoir et construire avec des moyens numériques ».

Processus de fabrication numérique

La construction en bois montre que les nouvelles technologies ouvrent également de nouvelles possibilités en termes de conception. Ainsi, les deux étages supérieurs sont caractérisés par des cadres en bois qui ont été fabriqués à l’aide de deux robots de construction et disposés selon une géométrie complexe. Le procédé de fabrication robotisé Spatial Timber Assemblies a découpé les poutres en bois et les a positionnées avec précision selon une conception informatique. Ainsi, lorsque quatre émetteurs ou plus suivent le robot, la précision du placement des poutres est inférieure à un millimètre. L’ouvrier du bâtiment n’est pas pour autant complètement remplacé, car « réaliser des assemblages vissés est aujourd’hui encore beaucoup plus facile pour l’homme avec sa dextérité », sait Graser. « Nous voulons que les ouvriers sur le chantier puissent collaborer avec les robots ».

Ces deux processus de fabrication numérique sont bien sûr loin d’être les seuls à avoir été utilisés dans la DFAB HOUSE. Au total, six innovations illustrent comment les possibilités numériques peuvent révolutionner la conception et la construction. Ainsi, l’In situ Fabricator, un robot de construction mobile, fabrique les éléments de construction directement sur le chantier. La Smart Slab est portée par ce que l’on appelle un Mesh Mould. Ce mur porteur est constitué d’une structure en treillis 3D coulée dans du béton, qui combine les deux fonctions de coffrage et de probation. Le Smart Dynamic Casting fait également partie des procédés de fabrication éprouvés : Ce procédé de coffrage glissant à commande numérique permet de fabriquer des poteaux en béton armé sur mesure, dont la géométrie s’adapte à la capacité de charge requise. Et la façade légère translucide permet d’insérer des granulés d’aérogel entre des plaques de membrane spécialement conçues, ce qui a un excellent effet isolant et permet d’économiser de l’énergie avec une valeur U de 0,165.

Un foyer intelligent

Début mai, quatre résidents ont emménagé dans la DFAB HOUSE. Il s’agit d’hôtes académiques de l’Empa et de l’Eawag. Ils ont pour mission de tester et de valider dans la réalité les nouvelles solutions SmartHome mises en œuvre. L’objectif des entreprises est d’obtenir de précieuses indications sur la faisabilité et l’acceptation de leurs solutions intelligentes grâce à des données de mesure concrètes issues de l’utilisation quotidienne. « Le NEST offre la possibilité de faire un pas intermédiaire entre le laboratoire et le marché réel », explique Marchesi, Innovation Manager au NEST. Selon lui, cela atténue quelque peu le saut dans le vide – il s’agit certes d’un environnement réel avec des personnes réelles dans un bâtiment réel, mais si cela ne fonctionne pas exactement comme prévu, il n’y a pas de risque pour les entreprises dans la DFAB HOUSE.

Les solutions smart home comprennent entre autres une protection intelligente et à plusieurs niveaux contre les effractions, des possibilités d’éblouissement et d’ombrage automatisées, une régulation des circuits de chauffage et de refroidissement basée sur le web et la dernière génération d’appareils ménagers intelligents en réseau. La base de l’expérience smart home est la plateforme indépendante des fabricants de l’entreprise germano-suisse digitalSTROM. Des bornes intelligentes numérisent les appareils analogiques afin qu’ils puissent fonctionner avec d’autres appareils en réseau numérique. Grâce à la commande vocale, les habitants peuvent en outre contrôler l’ensemble de la maison et allumer ou éteindre des appareils ou déclencher une séquence d’actions déterminée. Marchesi le confirme également : « L’interopérabilité est un domaine de travail pour les entreprises de maisons intelligentes. Il ne s’agit pas tant de systèmes individuels, de cuisinières ou de commandes d’éclairage, mais plutôt de la question de savoir si les systèmes fonctionnent bien ensemble. Et ce, du point de vue de l’utilisateur ». Dans la DFAB HOUSE, un nouveau type de mise en réseau permet d’accéder à des systèmes périphériques et à des appareils de différents fabricants.

Grâce à eux, les appareils électroménagers modernes tels que les tables de cuisson, les fours et les lave-vaisselle, ainsi que les fonctions de base de l’éclairage, de l’ombrage et de la commande des fenêtres peuvent échanger entre eux des données de fonctionnement. « Ceux-ci doivent travailler ensemble en arrière-plan, sans que l’utilisateur s’en rende compte », explique Marchesi. En ce qui concerne les stores, par exemple, ils assurent automatiquement l’ombrage. Toutefois, les habitants doivent être satisfaits de cette fonction.

Une gestion intelligente de l’énergie

La DFAB HOUSE n’est pas seulement intelligente en termes d’électronique domestique, mais aussi en termes de gestion de l’énergie : les panneaux photovoltaïques installés sur le toit fournissent en moyenne annuelle environ une fois et demie la quantité d’électricité que l’unité consommera elle-même. Une commande intelligente coordonne toutes les consommations et veille à ce qu’il n’y ait pas de pics de charge. Deux idées de start-up, accompagnées par des chercheurs de l’Empa et de l’Eawag, permettent d’économiser encore de l’énergie : D’une part, la chaleur des eaux usées, qui serait autrement perdue, est récupérée directement dans les bacs à douche grâce à des échangeurs de chaleur. L’eau fraîche froide peut ainsi être préchauffée de 15 degrés et il faut ensuite ajouter 42% d’eau chaude en moins dans le mélangeur de douche. Deuxièmement, lorsqu’elle n’est pas utilisée, l’eau chaude s’écoule des conduites vers le chauffe-eau au lieu de refroidir dans les conduites d’eau. Cette méthode permet non seulement d’économiser de l’énergie et de l’eau, mais aussi de réduire le risque de formation de bactéries dans les canalisations.

Regard vers l’avenir

La DFAB HOUSE, située sur le bâtiment de recherche et d’innovation NEST, est un bon exemple de la collaboration entre les chercheurs et l’industrie qui donne naissance à des solutions d’avenir. Mais qu’en sera-t-il de leur adéquation à l’avenir ? Au final, les nouveaux processus de fabrication numériques et les solutions Smart Home doivent non seulement faire leurs preuves, mais aussi être financièrement rentables pour le maître d’ouvrage. La DFAB HOUSE présente encore des prototypes et des premières applications des nouvelles technologies. L’accent est mis sur la collecte d’expériences afin de développer les technologies sur cette base et de les rendre commercialisables. L’objectif est « de pouvoir construire avec les technologies dans un cadre de coûts raisonnable, mais aussi avec une qualité élevée », explique Graser.

Il existe à cet effet différent projets plus avancés avec des partenaires industriels, dans le cadre desquels ces procédés sont perfectionnés. Graser cite ici l’exemple du Smart Dynamic Casting, avec lequel les poteaux de façade ont été fabriqués. L’intention claire du partenariat industriel est ici de mettre en œuvre le procédé à l’échelle industrielle. Pour Graser, « la DFAB HOUSE n’est donc pas la fin de l’histoire, mais seulement un pas de plus vers la mise en œuvre effective ». Certes, le secteur de la construction est connu pour évoluer traditionnellement un peu plus lentement, mais là aussi, il est confiant : « Lors de la DFAB HOUSE, nous avons vu de première main que l’intérêt pour la construction numérique est grand et qu’il existe une volonté d’aborder de nouvelles idées ». En ce qui concerne les solutions SmartHome en termes d’innovations et de nouveautés, il s’agit de systèmes relativement mûrs, dont la plupart sont déjà sur le marché. Les objectifs poursuivis par les entreprises lors des tests et de la validation dans la DFAB HOUSE sont donc très différents : « Les uns souhaitent améliorer la sécurité, d’autres le confort de l’utilisateur, d’autres encore sont contents que leur solution fonctionne« , explique Marchesi.

Bien entendu, tout cela ne sert à rien s’il n’y a pas de marché pour les produits. « Une innovation n’est une innovation que si elle génère une demande », explique Marchesi. C’est pourquoi le NEST est non seulement une plateforme technique, mais aussi une plateforme de communication. Il s’agit d’informer et de sensibiliser les gens et d’étayer le processus de décision par des informations. Les visiteurs sont principalement des professionnels tels que des architectes, des ingénieurs, des maîtres d’ouvrage et des planificateurs. Lorsqu’il s’agit d’introduire des processus de fabrication numériques et des solutions Smart Home, « ce sont finalement moins les particuliers qui décident », explique Marchesi, qui ajoute : « Seuls les professionnels, les maîtres d’ouvrage ou les conseillers techniques peuvent vraiment faire bouger les choses« . Ils trouvent désormais les connaissances nécessaires aux nouvelles solutions intelligentes dans la DFAB HOUSE.