Nouvelles technologies pour une construction écoresponsable

En Suisse, la construction est le plus grand consommateur de matières premières et producteur de déchets, responsable d'un tiers des émissions de CO2. Depuis plus de huit ans, l'Empa collabore avec plus de 150 partenaires pour développer, via le bâtiment modulaire Nest, des technologies et matériaux économes en ressources afin de les amener sur le marché.

Le dernier exemple en date est l'unité Step2, qui a été officiellement inaugurée fin août. Ce module de bâtiment de deux étages, situé tout en haut dans l'angle sud-est de Nest, réunit une série d'innovations qui ont toutes pour objectif de réduire la consommation de matériaux et d'énergie et de promouvoir une utilisation circulaire de nos ressources. « En même temps, il nous tient à cœur de développer des solutions qui soient commercialisables et qui aient réellement un avenir dans le secteur de la construction », souligne Enrico Marchesi, Innovation Manager chez Nest. En trio avec le partenaire principal BASF et le bureau d'architectes ROK, l'équipe Nest de l'Empa a donc examiné minutieusement la pertinence de chaque idée par rapport au marché et a développé des business cases réels avec les autres partenaires.

En entrant dans Step2, c'est d'abord le plafond qui saute aux yeux. Conçu comme un plafond filigrane à nervures, il permet des portées allant jusqu'à 14 mètres et convient donc particulièrement bien à la construction de bureaux et d'immeubles. Le plafond a été développé par le bureau d'architectes ROK en collaboration avec le bureau d'ingénieurs WaltGalmarini et Stahlton. Grâce à des méthodes de planification numériques développées en interne et à des coffrages imprimés en 3D pour les éléments préfabriqués, il a été possible de réduire d'environ 40% les matériaux et lesémissions de CO2 par rapport à un plafond plat en béton de même portée. Outre sa fonction structurelle, le plafond remplit d'autres fonctions : Des boîtes 3D remplies de mousse d'argile assurent une bonne isolation phonique, malgré la dureté de la surface. Le plafond, servant de masse thermique, régule la température et est central au concept énergétique de l'unité.

On accède au deuxième étage de l'unité par un escalier en béton incurvé au nom évocateur de « Cadenza », qui constitue l'épine dorsale symbolique du bâtiment. Pour cet escalier, l'équipe réunie autour de la chaire « Digital Building Technologies » de l’EPFZ et du bureau d'architectes ROK a exploité tout le potentiel du design assisté par ordinateur et de l'impression 3D. Les 17 marches ont été fabriquées à l'aide d'un seul coffrage réutilisable imprimé en 3D, ce qui permet d'obtenir une forme complexe et extrêmement réduite en termes de matériaux. La technique de précontrainte du spin-off de l'Empa re-fer, basée sur un alliage à mémoire de forme, a fixé les marches enfilées les unes sur les autres. La réalisation de cet élément de construction remarquable a également bénéficié de l'expertise des anciennes filiales de BASF Forward AM et New Digital Craft dans le domaine des matériaux et de l'impression 3D du coffrage, ainsi que du fabricant d'éléments préfabriqués en béton SW Umwelttechnik et du bureau d'ingénieurs WaltGalmarini. Ensemble, ils ont développé une solution prête à l'emploi pour les projets de construction individuels, qui ne convient pas seulement aux escaliers en béton sur mesure, mais qui contribue plus généralement à des solutions de conception efficaces et performantes grâce à la planification et à la fabrication numériques.

Les autres domaines d'innovation de l'unité Step2 concernent la gestion de l'énergie et l'enveloppe du bâtiment. Le bureau d'études WaltGalmarini a développé pour l'unité un concept global de gestion de l'énergie et du confort. La façade est l'élément central lorsqu'il s'agit d'optimiser le climat intérieur tout en augmentant l'efficacité énergétique du bâtiment. Une façade double peau nouvellement développée par Aepli Metallbau, avec ombrage intégré et ventilation naturelle contrôlée, a été utilisée. La façade est elle-même une plateforme d'essai et de développement : dans les années à venir, il sera possible de remplacer certains modules à peu de frais et d'intégrer ainsi de nouvelles technologies. Dans une première phase, on utilisera par exemple un élément de fenêtre de New Digital Craft avec une structure intégrée imprimée en 3D, qui fournit de l'ombre en fonction de la course du soleil. Pour ce faire, BASF a utilisé des matériaux d'impression additive innovants dans le domaine des technologies de production numérique, qui ont également été utilisés pour l'impression du coffrage de l'escalier.

Suivant les principes de l'upcycling, BASF a développé, en collaboration avec des partenaires, des procédés et des matériaux permettant de créer des revêtements de surface performants à partir de déchets. La combinaison de technologies de transformation existantes avec une nouvelle technologie de liant et des matières premières (résiduelles) permet de donner une forme tridimensionnelle à des panneaux de fibres de bois, tout comme à des résidus textiles et du marc de café, par déformation thermoplastique. Des panneaux muraux de forme individuelle ont ainsi été fabriqués pour l'unité. Les panneaux muraux et les dalles de sol ont été fabriqués à partir de résidus de fibres de denim recyclées, de gobelets en carton usagés et de marc de café, à l'aide d'un liant innovant et de revêtements performants. Pour l'espace cuisine, un nouveau liant a également été utilisé selon des procédés connus pour fabriquer des surfaces de meubles durables et de haute qualité avec du marc de café. 

L'utilisation de ces matériaux renouvelables réduit la demande en matières premières et les émissions de gaz à effet de serre. Des matériaux BASF ont été employés pour l'isolation thermique et acoustique du sous-plancher creux, avec l'introduction d'une mousse d'argile ininflammable projetée pour la première fois. Step2 est conçu comme une plateforme de cocréation et un atelier d'innovation. L'unité servira désormais de lieu de travail à l'équipe Scouting & Academic Collaborations de BASF autour d'Olivier Enger. BASF et l'Empa entretiennent un partenariat stratégique depuis plusieurs années déjà ; l'équipe est installée depuis lors sur le campus de l'Empa. Olivier Enger en est convaincu : « Au Nest, nous sommes au seuil de la recherche et de l'économie et pouvons, grâce à notre expertise, apporter une contribution importante à la réussite du pont entre le laboratoire et le marché ».