Série sur les systèmes techniques de construction modulaire de Canton — le système de construction modulaire à ossature de China Construction Fourth Engineering Bureau

Source : China Construction Fourth Bureau ; GICIBA ; Association de la construction intelligente et des bâtiments industrialisés de Guangzhou

Compilation réalisée par Precast Construction Network

Afin de promouvoir le développement de haute qualité de l'industrie de la construction intelligente et des bâtiments industrialisés de notre ville et de guider la mise en œuvre concrète de la construction modulaire, sous la direction du Bureau municipal du logement et du développement urbain-rural, et après démonstration par des experts faisant autorité, vérifications expérimentales multidimensionnelles et validation par la pratique de l'ingénierie, organisées par l'Association municipale de la construction intelligente et des bâtiments industrialisés conjointement avec l'Association municipale d'investigation et de conception, le système technologique de construction modulaire à ossature de China Construction Fourth Bureau a été certifié et publié avec succès. Ce système, centré sur les bâtiments de faible et moyenne hauteur, a pour cœur la « préfabrication intégrée en usine et l'assemblage rapide sur site », et couvre des technologies clés telles que la conception modulaire standardisée, les nœuds de connexion fiables et la gestion numérique de l'ensemble du processus. Sa sécurité structurelle, son efficacité de construction et son caractère vert et bas carbone ont été pleinement validés par des projets réels, offrant des solutions industrialisées matures et applicables pour des types de bâtiments tels que les bâtiments d'enseignement, les dortoirs, les immeubles de bureaux et les logements civils.

Avant-propos

En réponse active à l'appel national en faveur de la construction de « logements de qualité », et pour contribuer à l'intégration de l'industrialisation du bâtiment et de la construction intelligente, China Construction Fourth Engineering Bureau Co., Ltd. (ci-après « China Construction Fourth Bureau ») a développé de manière autonome le « système de construction modulaire à ossature ». Ce système s'adresse aux bâtiments de faible et moyenne hauteur tels que les bâtiments d'enseignement, les dortoirs, les hôtels, les appartements, les immeubles de bureaux et les logements civils, et propose une nouvelle solution de construction industrialisée. Le cœur du système consiste à décomposer le bâtiment en modules standardisés à ossature béton : la structure, l'enveloppe, les tuyauteries CVC et électricité ainsi que les aménagements intérieurs sont préfabriqués et intégrés de manière unifiée en usine, puis transportés sur site où ils sont rapidement assemblés grâce à des techniques de connexion à sec fiables ou partiellement humides, formant ainsi un bâtiment complet. Cette approche réalise l'industrialisation de la production et l'assemblage de la construction, améliorant considérablement l'efficacité du chantier et la qualité des ouvrages. À ce jour, le système a été appliqué avec succès dans des projets tels que l'immeuble de bureaux du poste de police du projet « Chuntianli » dans le district de Huadu à Guangzhou, et a passé avec succès la démonstration d'experts organisée par le Bureau municipal du logement et du développement urbain-rural de Guangzhou. Cette réalisation fournit une voie technologique et un modèle de pratique reproductibles et généralisables pour le développement de la nouvelle industrialisation du bâtiment à Guangzhou, revêtant une portée exemplaire positive pour le secteur.

▲ Projet Chuntianli

1. Contexte technologique

Actuellement, l'urbanisation de notre pays ne cesse de s'accélérer et le secteur du bâtiment se trouve à une étape clé de sa transformation et de sa montée en gamme. Les méthodes de construction traditionnelles sont généralement confrontées à des défis concrets tels que des délais de chantier prolongés, une pollution environnementale importante et une consommation élevée de ressources.

Dans ce contexte, le système de construction modulaire à ossature développé par China Construction Fourth Bureau répond non seulement à l'orientation politique nationale en faveur des bâtiments verts et de la construction intelligente, mais offre également, grâce à ses multiples atouts d'efficacité, de respect de l'environnement et de qualité maîtrisable, une solution industrialisée entièrement nouvelle pour tous types de bâtiments de faible et moyenne hauteur. La promotion et l'application de ce système amélioreront efficacement le niveau global d'industrialisation du secteur et pousseront le bâtiment vers un développement plus durable et plus efficace.

2. Contenu technologique

Le système de construction modulaire à ossature de China Construction Fourth Bureau a pour composant central le module à ossature béton et se distingue par sa caractéristique technique majeure « sans étaiement ». Chaque module standardisé comprend des poteaux structurels, des poutres d'ossature, des dalles mixtes, une dalle de fond préfabriquée et des cloisons intérieures en ALC. Tous les composants sont préfabriqués en usine et intègrent les finitions, les tuyauteries CVC et électricité ainsi que les portes et fenêtres, formant des modules transportables en un seul ensemble.

Orienté vers l'optimisation des coûts, ce système intègre un dispositif de nœuds de connexion standardisés techniquement fiables, permettant des travaux sans étaiement sur le chantier et réduisant ainsi considérablement les délais de construction sur site et le coût global de construction.

Le cœur du système consiste à décomposer le bâtiment, selon les pièces fonctionnelles (bureaux, dortoirs, sanitaires, etc.), en modules spatiaux tridimensionnels indépendants en forme de « boîtes ». Chaque module est préfabriqué et intégré de manière unifiée dans une usine intelligente, à la manière de la fabrication automobile : ossature béton (poteaux, poutres, planchers), panneaux de murs intérieurs et extérieurs, portes et fenêtres, tuyauteries CVC et électricité (alimentation et évacuation d'eau, électricité, chauffage-ventilation-climatisation), aménagements intérieurs (murs, sols, plafonds), et même mobilier fixe et appareils sanitaires, avec un degré d'intégration global pouvant dépasser 90 %. La construction sur site s'en trouve considérablement simplifiée : elle consiste principalement en la levée des modules dans leur ensemble, leur positionnement précis et leur connexion fiable, réduisant ainsi sensiblement les travaux humides sur site, les émissions de déchets de construction et la dépendance à une main-d'œuvre nombreuse.

(1) Module à ossature béton

Il constitue l'unité d'espace fonctionnel principale. Préfabriqué de manière intégrée en usine, il comprend des éléments porteurs tels que poteaux d'ossature, poutres d'ossature et planchers, ainsi que des éléments et composants non porteurs : murs extérieurs, cloisons intérieures, tuyauteries CVC et électricité, aménagements intérieurs. Son degré d'intégration est très élevé et il convient aux bureaux, locaux de permanence, salles de réunion, etc.

▲ Intégration des équipements techniques du module

▲ Intégration plomberie et CVC du module

▲ Intégration des finitions du module

Intégration du module à ossature béton

(2) Module intégrant plancher et systèmes techniques (module MiMEP)

Dans les zones communes telles que les couloirs, le système adopte de manière innovante une technique de préfabrication intégrée des réseaux : la structure du plancher et les systèmes techniques — chemins de câbles courants forts et courants faibles, éclairage de sécurité, alarme incendie — sont préfabriqués de façon unifiée en usine.

▲ Schéma du module MiMEP de couloir

3. Points clés techniques

3.1 Nœuds de connexion

La fiabilité des nœuds de connexion est la clé du système ; ils se divisent principalement en connexions verticales et connexions horizontales :

(1) La connexion verticale entre modules est réalisée principalement par des procédés fiables tels que manchons de coulis et ancrages scellés au mortier, assurant la continuité des armatures des poteaux préfabriqués entre étages. Lors de la construction, avant le levage, une couche de mortier d'assise est étalée au sommet des murs et des poteaux de l'étage inférieur afin de garantir une transmission uniforme des charges et une connexion dense et stable.

(2) Points clés :

① Les poteaux modulaires sont généralement équipés de 4 barres d'angle de grand diamètre comme armatures principales de reprise d'efforts pour la connexion verticale.

② Avant le levage, des cales d'assise et un mortier d'assise sont posés au sommet des poteaux du module inférieur afin d'assurer un contact dense et une transmission uniforme des efforts.

③ Ce mode de connexion présente un comportement mécanique fiable, équivalent à celui d'une structure coulée en place, et convient aux zones d'intensité sismique de fortification inférieure ou égale à 8.

▲ Nœud de connexion verticale entre modules (principal)

(3) La connexion horizontale entre modules est assurée par des poutres en béton coulé en place reliant de manière fiable les poteaux préfabriqués adjacents de gauche et de droite ; dans le modèle de calcul de la structure, cette zone de connexion peut être considérée selon l'hypothèse d'une barre rigide. Le plancher adopte la forme dalle mixte combinée à poutre mixte ; dans le calcul global, le plancher peut être considéré comme un plancher rigide.

Points clés :

① Dès la phase de préfabrication, des aciers de connexion en attente ont été réservés sur les faces latérales des poteaux adjacents du module, y compris les aciers supérieurs des poutres et les aciers de chapeau, préparant ainsi la connexion horizontale ultérieure.

② Après la mise en place des modules sur site, des coffrages sont installés dans les espaces réservés entre modules, des aciers additionnels sont ligaturés, puis le béton est coulé, formant une connexion horizontale à bonne intégrité monolithique.

③ Le système de plancher met en œuvre la technique de la dalle mixte : le module est équipé d'une dalle de toiture préfabriquée ; sur site, la couche de compression coulée en place est bétonnée solidairement avec les poutres du module et les poutres de liaison coulées en place, constituant ensemble un système de plancher rigide.

▲ Nœud de connexion horizontale entre modules (principal)

3.2 Intégration des équipements techniques et des aménagements intérieurs

L'intégration des équipements techniques et des aménagements intérieurs du système suit les principes de « séparation des réseaux et de la structure » et de « conception intégrée ».

(1) Intégration technique : les tuyauteries d'alimentation et d'évacuation d'eau, d'électricité et de CVC sont noyées en usine dans les murs et les planchers des modules. Les points de raccordement des réseaux sont réservés aux limites du module ; sur site, il suffit d'assurer la jonction entre modules. Par exemple, les conduits électriques sont raccordés dans la dalle de toiture via des boîtes de dérivation et des gaines noyées ; les tuyauteries d'eau sont reliées sur site aux colonnes montantes via des pièces d'étanchéité et des fourreaux noyés.

(2) Les cloisons intérieures (panneaux ALC par exemple), les supports muraux, les ossatures de faux plafonds et même certains matériaux de finition (peintures, supports de carrelage) sont réalisés en usine. Sur site sont principalement effectués le traitement des joints, la pose ou l'application de la couche de finition finale, ainsi que les raccords des interfaces de finition entre modules différents.

3.3 Calcul de conception et validation par simulation

La simulation structurelle du système adopte une méthode combinant analyse globale et raffinement local. D'abord, le calcul du modèle global détermine la réponse globale de la structure et la distribution des efforts intérieurs, et identifie les zones locales les plus défavorables en termes de charges ; ensuite, pour ces zones clés, une analyse fine par éléments finis est réalisée à partir des efforts intérieurs issus du modèle global. Enfin, la synthèse des résultats globaux et locaux permet une évaluation complète de la sécurité structurale.

(1) Analyse du modèle global : établissement d'un modèle structural global incluant l'ensemble des modules et des nœuds de liaison en béton coulé en place, avec l'hypothèse de plancher rigide, pour calculer la réponse globale de la structure sous l'action du vent et des séismes, y compris les indicateurs clés tels que déplacements, périodes et efforts intérieurs.

▲ Modèle de calcul de la structure

(2) Analyse fine par éléments finis des zones clés : pour les zones critiques telles que les nœuds de liaison par poutres rigides coulées en place, une analyse raffinée par éléments finis est menée afin de vérifier que leur capacité portante, leur comportement en déformation et la maîtrise de la fissuration sous charges de conception satisfont aux exigences des normes applicables.

(3) Vérifications en phase de levage et de construction : les situations les plus défavorables rencontrées par les modules lors du démoulage, du transport et du levage font l'objet d'analyses par simulation, afin de garantir que les déformations et les contraintes à chaque phase restent dans des limites sûres et d'assurer la sécurité structurale tout au long du chantier.

▲ Carte des déformations de la structure du module

▲ Carte des contraintes maximales des aciers de la structure du module

▲ Analyse de la largeur de fissuration

▲ Carte des contraintes de compression maximales du béton de la structure du module

Vérifications de levage et de construction

4. Domaine d'application

Ce système s'applique à de nombreux types de bâtiments de faible et moyenne hauteur : bâtiments d'enseignement, dortoirs, hôtels, appartements, immeubles de bureaux, logements civils et projets de démolition-reconstruction sur site d'origine (voir tableau ci-dessous). Il convient aux zones d'intensité sismique de fortification inférieure ou égale à 8 ; la hauteur du bâtiment ne devrait pas dépasser 24 m ; après une démonstration spécifique, elle peut être portée de manière appropriée jusqu'à 40 m.

5. Validation par l'ingénierie

L'immeuble de bureaux du poste de police n° 13 du projet « Chuntianli » à Huadu (Guangzhou) est un projet emblématique de l'application réussie de ce système : des calculs structurels complets ont été réalisés lors de la conception, et le projet a passé avec succès la validation en construction et l'expertise.

▲ Répartition des types de modules du projet

6.1 Planification du site de production

Selon le principe « zonage fonctionnel, processus fluide », cinq grandes zones centrales sont délimitées, pour une superficie totale d'environ 2 248 m² (ligne de production unique de l'atelier n° 5) :

▲ Schéma du système de planification du site de production

6.2 Solution de moules

Une solution de moules monoblocs est adoptée. Le moule doit présenter une capacité portante, une rigidité et une stabilité suffisantes pour supporter de manière fiable, lors de la production MiC, le poids du béton coulé, la poussée latérale et les charges d'exploitation. Le moule doit être facile à monter et à démonter, et permettre une installation aisée des armatures ainsi que le coulage et la cure du béton. Les éléments du moule doivent être solidement assemblés entre eux, et toutes les pièces noyées du MiC doivent bénéficier de mesures de fixation fiables.

▲ Solution de moules des modules

6.3 Processus de production de la structure des modules

Fabrication des cages d'armatures → fermeture du moule extérieur → mise en place des cages de poteaux dans le moule → ferraillage de la dalle de fond → installation des réservations et des pièces noyées → réception des réservations techniques dissimulées → fermeture du moule intérieur → réception par le maître d'œuvre avant coulage → coulage de la dalle de fond → installation des dalles mixtes de toiture → coulage monolithique d'ensemble → décoffrage du moule intérieur → décoffrage du moule extérieur → démoulage du module → réparation du module.

▲ Processus de production de la structure des modules

6.4 Processus de production des finitions des modules (avec interventions techniques intercalées)

Renforcement et installation du module → pose des panneaux muraux ALC → installation des gaines électriques → première passe d'enduit mural → finitions du sol → pose des cadres de portes et fenêtres → deuxième passe d'enduit mural → finitions de façade → pose des faux plafonds → installation des appareillages et des luminaires → pose du vitrage → pose des vantaux de portes → protection des ouvrages finis.

▲ Processus de production des finitions des modules

7. Construction par levage des modules

Le processus de levage s'articule autour des étapes suivantes : « préparation du chantier → réception des modules à leur arrivée → traitement du support et mortier d'assise → levage du module → réglage de l'assiette en l'air → positionnement précis du module → connexion des nœuds (coulis / béton coulé en place) → répétition étage par étage ».

Réception des modules à leur arrivée : vérification des certificats de conformité et des documents qualité des modules, contrôle de la qualité d'aspect, des écarts dimensionnels ainsi que des spécifications et positions des réservations et des pièces noyées, et saisie dans le système de traçabilité qualité par lecture de code QR.

▲ Procédure de réception

Traitement du support et mortier d'assise : un mortier d'assise est étalé sur le support (dalle de toiture du module inférieur ou plancher coulé en place), et des cales de nivellement sont placées aux emplacements correspondant aux pieds de poteaux du module, afin de contrôler les niveaux de pose et d'assurer une transmission uniforme des efforts.

Levage et mise en place du module : le palonnier dédié est relié de manière fiable aux anneaux de levage noyés en partie supérieure du module, en garantissant un angle d'au moins 60° entre les élingues et l'horizontale. Le module est levé lentement jusqu'à 100 à 200 mm du sol puis maintenu en l'air pour vérifier la tenue des accessoires de levage et l'équilibre du module. Sous la direction du signaleur, il est transporté au-dessus de la position d'installation, l'orientation étant ajustée à l'aide de câbles de guidage, puis descendu lentement. À 50 à 200 mm de la surface de pose, un alignement précis est effectué avant la mise en place définitive.

8. Caractéristiques du système

(1) Intégration poussée, qualité maîtrisée : les modules sont produits sur ligne en usine avec une précision de fabrication millimétrique et une qualité homogène et stable, ce qui surmonte efficacement à la source les variations de qualité et les défauts d'exécution courants dans la construction traditionnelle sur site.

(2) Efficacité et rapidité, construction verte et bas carbone : ce système permet de réduire de plus de 50 % les délais sur site par rapport aux méthodes de construction traditionnelles, de diminuer de plus de 75 % les déchets de chantier et de réduire de plus de 70 % le personnel sur site, limitant ainsi significativement les nuisances pour l'environnement voisin et illustrant le double avantage de la construction industrialisée en matière d'efficacité et de durabilité.

(3) Connexions fiables, comportement mécanique équivalent au coulé en place : grâce à des techniques fiables de connexion verticale et horizontale, les liaisons entre modules sont assurées et la performance globale de la structure atteint le critère « équivalent au coulé en place », satisfaisant pleinement aux exigences de fortification sismique.

(4) Conception standardisée, combinaisons diversifiées : le système suit le principe de conception « peu de formats, beaucoup de combinaisons », réalisant l'unité de la standardisation et de la diversité. À titre d'exemple, pour le projet Chuntianli, seules trois dimensions modulaires standard ont suffi, par des combinaisons flexibles, à répondre aux besoins spatiaux et fonctionnels diversifiés de l'immeuble de bureaux du poste de police.

(5) Gestion numérique de l'ensemble du processus : fondé sur la technologie BIM, le système met en œuvre une gestion numérique intégrale couvrant la conception directe, la production et la simulation de la construction ; l'association des codes QR au modèle BIM permet une traçabilité qualité sur tout le cycle de vie, de la conception à la production, au transport, au levage et jusqu'à l'O&M.

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