[Reprise] Étude sur les systèmes structurels préfabriqués et leur pertinence économique
Sync WeChat · Xiaowei · 2021-02-02
I. Relations entre les 11 systèmes structuraux du bâtiment préfabriqué
Relations entre les 11 systèmes du bâtiment préfabriqué
Selon les principaux composants structuraux, les bâtiments préfabriqués se divisent en : structures en béton préfabriqué, structures en acier préfabriquées et bâtiments à structure en bois préfabriquée. La combinaison du béton préfabriqué et de l'acier forme le système structural acier-béton. Les structures en béton préfabriqué ont pour systèmes exclusifs le système de structure précontrainte et le système de structure à voile mixte double face ; lorsque des voiles ou des cadres principaux-secondaires sont utilisés dans les structures en béton ou en acier, on peut les subdiviser en système de logements de grande hauteur préfabriqués à voiles ou en système structural à cadres principaux-secondaires ; lorsque des treillis alternés sont utilisés dans les structures en acier ou en bois, on peut les subdiviser en système structural à treillis alternés ; pour les trois types, s'il s'agit de logements de faible hauteur entièrement préfabriqués, on obtient le système de logements de faible hauteur entièrement préfabriqués, et si des modules sont utilisés, on peut les subdiviser en système structural modulaire.
II. Comparaison de l'application de ces systèmes structuraux dans les logements
La fréquence d'utilisation des différents systèmes de logements préfabriqués dépend principalement de deux acteurs, les promoteurs et les consommateurs :
Promoteurs :Ils accordent une attention particulière aux politiques de développement du logement, aux coûts, à l'acceptation par les consommateurs, au calendrier de construction, etc. Le béton préfabriqué a bénéficié plus tôt de politiques de promotion, et la structure monolithique préfabriquée à voiles en béton s'est développée précocement avec une technologie relativement mature ; c'est donc aujourd'hui le système dominant des structures en béton préfabriqué de grande hauteur en Chine. En revanche, le béton précontraint, les voiles mixtes double face et les structures en bois exigent non seulement une qualité supérieure des produits eux-mêmes ainsi que des personnels de fabrication et des machines plus qualifiés, mais leurs prix sont aussi relativement élevés. Toutefois, le béton précontraint et les voiles mixtes double face présentent une grande rigidité latérale, une forte capacité à résister aux déformations sous l'action des forces horizontales et de meilleures performances parasismiques, tout en ne nécessitant que peu de transformations des lignes des usines de PC existantes ; ils sont donc davantage utilisés dans des projets pilotes non résidentiels.
Consommateurs :Ils accordent davantage d'attention à la qualité du logement, à son prix, à l'intimité, etc. Actuellement, les consommateurs en sont encore au stade de la découverte des bâtiments préfabriqués et acceptent plus facilement les logements en béton préfabriqué semblables aux logements coulés en place. Les structures à cadres principaux-secondaires, les structures à treillis alternés et les structures en acier sont plus courantes dans les bâtiments à grands espaces tels que les halls d'exposition ; mais lorsqu'elles sont appliquées aux logements, les consommateurs s'inquiètent de l'isolation acoustique et thermique, d'où une acceptation plus faible de ce type de logements préfabriqués. Dans les zones rurales, montagneuses ou littorales, où les exigences d'isolation acoustique sont faibles et où l'accent est mis sur la résistance aux séismes et la facilité d'usage, les maisons de faible hauteur recourent aussi souvent au système de logements de faible hauteur entièrement préfabriqués.
En synthèse, ce sont donc les systèmes de logements de grande hauteur préfabriqués à voiles et de logements de faible hauteur entièrement préfabriqués qui sont les plus utilisés.
III. Pourquoi la proportion de logements de grande hauteur à structure en acier est-elle si faible ?
À l'heure actuelle en Chine, les structures en PC occupent la première place parmi les bâtiments préfabriqués, suivies des structures en acier. Parmi les 119 projets de démonstration de bâtiments préfabriqués publiés en 2016 par le ministère du Logement et du Développement urbain-rural (MOHURD), on compte 41 projets à structure en PC, soit 35 % ; 19 projets à structure en acier, soit 16 % ; 4 projets à structure en bois, le reste étant des projets de production d'éléments et de composants.
Projets de démonstration de bâtiments préfabriqués du MOHURD en 2016
Ces deux dernières années, les bâtiments préfabriqués se sont développés rapidement : en 2018, 290 millions de mètres carrés de bâtiments préfabriqués ont été mis en chantier dans le pays, soit une hausse de 81 % par rapport à 2017, mais la proportion de bâtiments et de logements à structure en acier reste faible. En tant que forme structurale importante du bâtiment préfabriqué, la structure en acier ne représente en réalité qu'environ 30 % des bâtiments préfabriqués, et la plupart de ces bâtiments sont des bâtiments publics ; la part des logements est inférieure à 1 %, quasiment négligeable.
Nouvelles surfaces en béton préfabriqué construites en Chine, 2013-2023 (prévision)
La proportion de logements de grande hauteur à structure en acier est faible principalement pour les raisons suivantes :
Le béton s'est développé plus tôt en Chine et présente des avantages en matière de coûts, tandis que le logement à structure en acier n'a pas encore atteint d'économies d'échelle. En général, le coût de développement d'une structure en acier préfabriquée reste environ 15 % plus élevé que celui d'une structure en béton préfabriqué, et certainement plus élevé encore que celui du béton armé. De plus, les systèmes d'enveloppe et de décoration compatibles avec les structures en acier sont moins nombreux que pour le béton, et la chaîne d'approvisionnement associée n'est pas encore complète.
Les bâtiments préfabriqués souffrent d'un certain effet de dépendance au chemin, et le système d'entreprise générale freine le développement des entreprises dans le domaine de l'acier. Actuellement, de nombreuses entreprises de construction métallique ne détiennent que la qualification de sous-traitance spécialisée en structure en acier ; beaucoup de projets dominés par l'acier doivent encore être confiés à une entreprise générale de gros œuvre, de sorte que les entreprises de construction métallique ont du mal à faire entendre leur voix.
Les poutres et poteaux des logements à structure en acier sont généralement en acier profilé en H ; l'acier transmet naturellement les bruits solidiens, si bien que les vibrations sonores sont assez perceptibles. Les cloisons sont principalement constituées d'acier léger, de montants et de plaques de plâtre, et le problème de transmission du son est difficile à résoudre. Dans les maisons à ossature en acier légère, le poids propre des éléments porteurs est faible et l'intérieur est essentiellement creux, ce qui crée facilement un effet de membrane de tambour. Ajoutons que les performances de résistance au feu de certains matériaux de protection ne sont pas encore conformes aux normes : le marché accepte donc mal les logements à structure en acier.
IV. Pourquoi les politiques ont-elles commencé à mettre l'accent sur la préfabrication en structure en acier en 2019 ?
Les facteurs politiques sont extrêmement importants pour le développement des structures en acier préfabriquées. La politique nationale à l'égard de l'acier est passée de l'économie et de l'usage rationnel de l'acier à l'encouragement de son utilisation, ce qui fournit une garantie solide au développement des bâtiments à structure en acier.
Principales politiques chinoises relatives aux structures en acier en 2019
Les raisons de la promotion des structures en acier préfabriquées en 2019 sont les suivantes :
(1) Le système de logements entièrement préfabriqués à structure en acier présente des avantages uniques en milieu rural ou dans les banlieues éloignées.L'acier est plus léger que le béton et se transporte plus facilement ; certaines routes rurales de faible catégorie supportent difficilement les camions transportant des panneaux muraux en béton. La construction à sec des structures en acier est plus pratique : elle ne nécessite pas de fondations coulées et permet un assemblage entièrement boulonné dont les exigences techniques sont modestes, alors que les connexions du béton préfabriqué requièrent la technique plus difficile des manchons à coulis. Certes, les structures en acier présentent des problèmes de corrosion et de faible isolation acoustique, mais ceux-ci ont peu d'impact sur les logements ruraux de faible hauteur.
(2) Les structures en acier se substituent de plus en plus aux structures en béton.Cela se manifeste principalement ainsi : le coût de traitement de la pollution des structures en acier est plus faible ; les projets de gros œuvre génèrent beaucoup de poussières sur les chantiers et constituent l'une des sources importantes de particules adsorbables. Au nom de la protection de l'environnement, l'État a commencé à contrôler la production de ciment, ce qui a fait monter le coût du ciment, tandis que le prix de l'acier reste relativement stable ; le coût des matières premières des structures en béton préfabriqué augmente donc. Comme le secteur de la construction est un secteur à forte intensité de main-d'œuvre, le coût du travail pèse lourdement dans les projets de gros œuvre ; or le chantier sur site d'une structure en acier est plus court que celui d'une structure en béton, d'où un coût de main-d'œuvre plus faible.
(3) Aujourd'hui, la part des logements à structure en béton préfabriqué sur le marché est déjà élevée, mais le procédé de coulis de manchons présente des lacunes en matière de sécurité : dans un contexte de développement rapide, il faut ralentir le pas pour en démontrer la fiabilité. Les structures en acier utilisent le soudage et l'assemblage boulonné, sans problème de sécurité ; de plus, après plus de 20 ans de développement, la structure en acier n'est plus un type de construction nouveau, et la plupart des instituts de conception disposent désormais de personnels spécialisés en structure en acier, ce qui réunit les conditions nécessaires à sa généralisation. Le gouvernement a donc commencé à orienter par ses politiques le développement des structures en acier préfabriquées. La réponse à l'épidémie a d'ailleurs prouvé que les avantages de la structure en acier sont très nets pour la construction de certains bâtiments publics.
(4) Depuis la mise en œuvre de la réforme structurelle du côté de l'offre à la fin de 2015, les stocks sociaux d'acier restent à un niveau élevé. Promouvoir des systèmes de bâtiments préfabriqués en acier et de logements à structure en acier dotés de larges perspectives de marché et de droits de propriété intellectuelle indépendants permet de résorber les surcapacités, d'orienter la consommation du marché et de favoriser le déploiement à grande échelle des bâtiments à structure en acier en Chine.
Entreprises de construction métallique ayant réalisé une production supérieure à 50 000 tonnes entre 2014 et 2018
Le tableau ci-dessus montre que, ces dernières années, le nombre d'entreprises de construction métallique dont la production dépasse 50 000, 100 000 et 300 000 tonnes ne cesse d'augmenter, ce qui indique que la consommation d'acier dans le bâtiment en Chine progresse d'année en année. Cela contribue dans une certaine mesure à résorber les stocks d'acier sur le marché.
Nous estimons donc que, grâce aux politiques et à ses caractéristiques propres, le système de logements préfabriqués à structure en acier a un grand avenir en milieu rural. Ensuite, étant donné que la technique de coulis de manchons verticaux des structures en PC présente encore des risques pour la sécurité, les villes devraient aussi augmenter modérément la part des bâtiments publics et des logements à structure en acier.
V. Qu'est-ce que le ratio de préfabrication et le taux de préfabrication ? Quelles parties sont préfabriquées dans les bâtiments selon les différents ratios de préfabrication ?
Le ratio de préfabrication exprime le rapport volumique entre la quantité de béton des parties préfabriquées de la structure principale et de l'enveloppe situées au-dessus du niveau du sol extérieur et la quantité totale de béton des composants correspondants d'un bâtiment préfabriqué. Le taux de préfabrication, lui, exprime le rapport entre la quantité (ou la surface) des composants préfabriqués et des éléments de construction d'un bâtiment préfabriqué et la quantité (ou la surface) totale de composants ou d'éléments de même nature.
Tableau de notation des bâtiments préfabriqués
Selon le type d'opération et le ratio de préfabrication des logements, le coût des composants choisis pour la préfabrication n'est pas le même. Le tableau ci-dessous, du point de vue d'un projet de développement immobilier et à partir de l'exemple d'un projet de Shanghai, propose une analyse de cas et énonce, pour trois types d'opération — villas superposées, immeubles de style occidental et logements de grande hauteur —, les combinaisons économiques des principaux composants selon le ratio de préfabrication :
Principaux composants selon le type d'opération et le ratio de préfabrication
Même pour un bâtiment coulé en place, l'adoption d'escaliers, de balcons et de supports de climatiseurs préfabriqués permet d'atteindre un taux de préfabrication d'environ 15 %. La norme « Standard d'évaluation des bâtiments industrialisés » GB/T 51129-2015 stipule que le ratio de préfabrication d'un bâtiment préfabriqué ne doit pas être inférieur à 20 % ; les méthodes de calcul et les seuils du ratio de préfabrication varient légèrement d'une région à l'autre. Prenons l'exemple d'une structure préfabriquée à voiles en béton : pour atteindre un ratio de préfabrication de 30 %, on ajoute généralement des dalles mixtes, et pour 40 %, des panneaux de façade.
VI. Pourquoi le coût de construction des bâtiments préfabriqués est-il élevé ? Peut-il être inférieur à celui du coulage en place ?
Le coût du mode de construction préfabriqué comporte à la fois des augmentations et des diminutions par rapport au mode traditionnel coulé en place ; tout dépend de la forme structurale, du système technique, du niveau de fortification parasismique, du ratio de préfabrication, du niveau de gestion, de la taille du projet, etc. On ne peut donc pas affirmer globalement que le coût des bâtiments préfabriqués est élevé ou faible. Plus précisément, les augmentations de coût des bâtiments préfabriqués concernent principalement : les composants préfabriqués et leur transport, le levage et l'installation sur site, la location de gros engins, le traitement des joints entre panneaux muraux et dalles ainsi que les matériaux associés. Les diminutions de coût concernent principalement : les travaux d'armatures et de béton réalisés en usine de préfabrication, qui réduisent les frais de maçonnerie sur site et le coût de la main-d'œuvre, ainsi que la suppression des frais d'étaiement et de coffrage sur site.
(1) Cas n° 1 du système préfabriqué à voiles en béton
La plupart des bâtiments préfabriqués ont un coût de construction supérieur à celui du coulage en place. D'après le calcul d'un projet de Shenyang cité dans l'article « Recherche sur une méthode d'analyse des bénéfices globaux des bâtiments préfabriqués », en tenant compte d'un certain coût de transport, le coût de construction d'un bâtiment préfabriqué (exemple du PC) est aujourd'hui supérieur d'environ 20 % à celui du coulage en place. Il s'agit d'immeubles de logements à structure cadres-voiles : le bâtiment n° 1 est préfabriqué, avec une partie coulée en place des fondations au 3e étage et une partie préfabriquée du 4e au 17e étage ; le bâtiment n° 3 est entièrement coulé en place. Pour les bâtiments préfabriqués, le surcoût du gros œuvre, en particulier celui des composants verticaux, provient en grande partie du coût des connexions d'armatures verticales et du surcoût des liaisons entre façades préfabriquées et composants coulés en place.
Comparaison des coûts de construction entre bâtiment coulé en place et bâtiment préfabriqué
(2) Cas n° 2 du système préfabriqué à voiles en béton
D'après l'analyse réalisée en 2017 par Zhang Jianguo et al. du groupe Yatai, le coût de construction au mètre carré des bâtiments dont le taux de préfabrication est respectivement de 20 %, 40 % et 60 % augmente de 11,1 %, 30 % et 33,8 % par rapport au coulage en place ; mais à mesure que le taux de préfabrication augmente, la part des frais de main-d'œuvre diminue progressivement. Cela s'explique principalement par trois raisons :
Premièrement, le degré de normalisation des composants préfabriqués en Chine reste faible et les dimensions sont nombreuses ; la production n'a atteint ni l'approvisionnement à grande échelle, ni la production à grande échelle, ni le transport à grande échelle, et le transport en vrac est peu efficace. Deuxièmement, le degré de normalisation des composants préfabriqués varie et le coût des composants est élevé. La plupart des fabricants en restent à la production de composants horizontaux tels que les escaliers et les dalles d'escalier, tandis que les composants verticaux comme les panneaux muraux sont peu produits ; cela crée une pression financière excessive sur les investissements en équipements des usines de préfabrication et entraîne en même temps une augmentation du coût des composants préfabriqués liée à l'amortissement des équipements. On constate ainsi que,lorsqu'on passe d'un ratio de préfabrication de 20 % à un ratio de 40 %, le coût augmente fortement.Troisièmement, le degré d'intégration entre conception, production et construction est actuellement faible, etc. Le fait que le fournisseur de solutions préfabriquées assure la conception en tant qu'entreprise générale permet de réduire les coûts.
(3) Comparaison des normes de consommation du béton préfabriqué et de la structure en acier
Les « Normes de consommation des travaux de bâtiments préfabriqués » (projet pour avis) du ministère du Logement et du Développement urbain-rural (MOHURD) fournissent également des indicateurs de référence pour l'estimation des investissements de neuf catégories de logements préfabriqués en béton et de logements préfabriqués à structure en acier selon différents taux de PC (taux de préfabrication) ; cela offre des critères et une base clairs et unifiés pour le calcul du coût de construction des bâtiments préfabriqués. Comme l'acier coûte plus cher que le béton, le coût de construction des structures en acier est supérieur à celui des logements préfabriqués en béton.
Il faut toutefois noter que le coût des bâtiments préfabriqués tend à se rapprocher de celui du coulage en place, et ce pour plusieurs raisons. D'abord, partout dans le pays, des politiques préférentielles ont été lancées en faveur des bâtiments préfabriqués. Par exemple à Shanghai : lorsqu'une façade de bâtiment préfabriqué utilise des panneaux sandwiches préfabriqués avec isolation, une bonification de coefficient d'occupation des sols (COS) supérieure à 3 % est accordée. À fin décembre 2018, 81 projets de la municipalité de Shanghai avaient passé l'examen de cette politique de bonification du COS ; leur surface de plancher totale approche les 7 millions de mètres carrés et ils ont obtenu environ 195 000 mètres carrés de surface non comptabilisée dans le COS. Ainsi, lorsque le COS est assoupli, le coût de construction des bâtiments préfabriqués peut être relativement réduit. Ensuite, le chantier des bâtiments préfabriqués est court ; or, aujourd'hui, les prêts immobiliers pour les nouveaux programmes ne sont débloqués qu'après la mise hors d'eau du bâtiment : l'avantage du logement préfabriqué est de permettre une mise hors d'eau rapide, condition du déblocage des prêts et de la commercialisation. Le coût de construction des bâtiments préfabriqués est donc en baisse.
(4) Cas d'autres systèmes préfabriqués
Parmi les systèmes préfabriqués, le coût de la structure à treillis alternés peut être inférieur à celui du coulage en place. En général, le poids propre d'une structure en acier de grande hauteur représente environ 1/2 à 3/5 de celui d'une structure en béton ; la structure à treillis alternés est encore plus légère qu'un cadre ordinaire en acier-voiles et consomme moins d'acier, ce qui permet de réduire le coût de construction des fondations, en particulier dans les régions de sols meubles du sud, où la réduction du poids propre de la structure entraîne une baisse encore plus marquée du coût des fondations.
Le coût du système structural de logements de faible hauteur entièrement préfabriqués est légèrement inférieur à celui du coulage en place, car la construction en milieu rural n'est pas un simple acte de consommation : c'est un acte de production auquel le client peut participer en contribuant à la construction de la maison. L'entière préfabrication concilie production en série, ouverture et flexibilité ; le mode de construction est simple et peut être réalisé avec la participation des habitants de la communauté, d'où un chantier court et un faible coût de main-d'œuvre.
La situation générale est la suivante : la structure en acier préfabriquée est légèrement plus chère que la structure préfabriquée à voiles en béton, et le logement de grande hauteur préfabriqué à voiles en béton est lui-même plus cher que le coulage en place. Toutefois, le coût de construction de systèmes préfabriqués tels que la structure à treillis alternés ou le système de logements de faible hauteur entièrement préfabriqués peut être inférieur à celui du coulage en place. D'après les données dont nous disposons actuellement, les coûts du préfabriqué se rapprochent de ceux du coulage en place ; nous estimons que des coûts PC plus bas ont davantage de sens pour la généralisation, tandis que la structure en acier requiert une maturation supplémentaire des conditions objectives.
[Avis de droits d'auteur : le présent article est extrait de « Cercle d'optimisation de la conception »]
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