Grâce aux modèles de données intelligents, le jumeau numérique façonne le BTP

• Qu’est-ce qu’un jumeau numérique ?
• Que représente le jumeau numérique pour le secteur du BTP ?
• Le BIM et le jumeau numérique
• Le jumeau numérique au fil du temps
• Les 5 niveaux du jumeau numérique
• Les 4 avantages du jumeau numérique
• L’avenir du jumeau numérique

Il y a vingt ans, lorsqu’il a commencé à adapter Minority Report de Philip K. Dick au grand écran, Steven Spielberg avait réuni les plus grands penseurs de la science et de la technologie pour l’aider à imaginer les villes du futur. Si le film montrait le côté sombre de Washington en 2025, on y voyait également tous les avantages des technologies numériques intelligentes futuristes, comme les voitures sans conducteur, les publicités personnalisées à l’aide du balayage de la rétine et les maisons qui obéissent aux commandes vocales.

Aujourd’hui, qu’il s’agisse d’ordinateurs à commande gestuelle, de publicités ciblées sur Internet, ou de réfrigérateurs qui achètent du lait lorsque vous n’en avez plus, ces technologies font partie de notre quotidien.

En effet, les bâtiments intelligents connaissent votre adresse, votre emploi du temps, et même le nombre de sucres que vous prenez dans votre café ! Au fur et à mesure que les villes et les bâtiments se sont développés pour devenir plus intelligents et plus autonomes, les outils de conception utilisés pour les créer, les gérer et les entretenir se sont améliorés aussi.

L’architecture, l’ingénierie et la construction (AEC) a la réputation d’être en retard par rapport aux autres secteurs en ce qui concerne la digitalisation et la prise de décision basée sur les données. Néanmoins, la situation est en train de changer puisque les professionnels du secteur réalisent qu’il faudra changer leur façon de réfléchir et de travailler pour aller de l’avant.

À l’heure où l’Internet des objets (IdO), l’intelligence artificielle (IA) et les technologies de cloud computing sont le moteur de la transformation numérique de l’AEC, le jumeau numérique gagne du terrain. Les outils sont plus puissants, et les concepteurs et les maîtres d’ouvrage commencent à comprendre comment optimiser les structures existantes.

Qu’est-ce qu’un jumeau numérique ?

Un jumeau numérique est la représentation numérique d’une structure ou d’un environnement tangible, comme une voiture, un pont ou un bâtiment. Il s’agit davantage d’une maquette numérique que d’une maquette 3D traditionnelle. C’est en fait une référence de données commune créée lors de la phase de planification d’un projet et qui couvre le cycle de vie entier d’un actif, de la conception à la fabrication et à la construction, en passant par l’exploitation et la maintenance, mais aussi son utilisation ou sa réutilisation future.

Contrairement aux maquettes qui réunissent des données statiques, les jumeaux numériques sont des structures dynamiques et « vivantes » qui évoluent en temps réel. À l’aide de l’IA, de l’apprentissage automatique et des technologies IdO, ces clones apprennent, mettent à jour et communiquent avec leurs modèles physiques en échangeant des données tout au long du cycle de vie de ces derniers. Armés de ces simulations dynamiques, les utilisateurs peuvent ainsi anticiper les problèmes avant qu’ils ne surviennent, imaginer de nouvelles possibilités, et planifier l’avenir.

Que représente le jumeau numérique pour le secteur AEC ?

Dans le secteur AEC, un jumeau numérique est le clone complet d’une structure édifiée et de ses systèmes.

Il peut représenter :

• Un bâtiment
• Un élément d’infrastructure, par exemple un pont
• Un écosystème complexe d’actifs connectés, comme un réseau ferroviaire, des bureaux ou une ville

Le jumeau numérique dans le BTP

Dans le secteur du BTP, cet avatar virtuel traite des informations telles que :

• Les données opérationnelles pour les systèmes CVC et MEP (mécanique, électricité et plomberie)
• Les données relatives aux pièces détachées et à l’entretien
• Les données environnementales recueillies par des capteurs IdO

Les équipes AEC et les propriétaires créent un jumeau numérique en phase initiale de leur projet, lorsqu’ils définissent ensemble les objectifs d’efficacité et les résultats souhaités. Au fur et à mesure que le projet avance, on recueille continuellement les données produites afin de les faire correspondre à la maquette numérique, par le biais d’une plateforme comme Autodesk Tandem. Une fois l’actif remis au propriétaire, le clone virtuel rassemble les données opérationnelles qui serviront à optimiser l’efficacité et gérer l’entretien du bâtiment à long terme, ainsi qu’à faciliter la livraison et toute utilisation ultérieure.

De plus, étant donné que le jumeau numérique évolue en permanence grâce aux données fournies par son jumeau physique, il est en mesure de réaliser des simulations et des prédictions en temps réel en réponse à son environnement. Ainsi, on peut utiliser ce clone numérique pour aligner la façade solaire d’un bâtiment et suivre la trajectoire du soleil, ou modifier son système de ventilation afin de minimiser la propagation d’agents pathogènes.

Les jumeaux numériques permettent également d’optimiser les bâtiments :

• Configuration des zones commerciales pour tirer parti des habitudes d’achat
• Automatisation des exploitations agricoles intérieures pour maximiser la croissance
• Anticipation des problèmes d’entretien des raffineries pétrolières
• Conception d’espaces de soins de santé pour optimiser le flux de patients et de personnel

Le jumeau numérique, connecte les flux de conception et de réalisation

Du point de vue du flux de travail, les jumeaux numériques facilitent l’accès aux données habituellement piégées dans des silos (ou dans des dossiers papier), permettant ainsi aux équipes de mieux communiquer tout au long d’un projet, depuis sa conception jusqu’à la livraison. Par ailleurs, en intégrant les données statiques (spécifications des composants et calendriers de maintenance) aux données dynamiques (taux d’occupation et conditions environnementales), les jumeaux numériques permettent à tous les acteurs, du concepteur aux propriétaires, de prendre des décisions plus éclairées pour optimiser l’efficacité et le cycle de vie du bâtiment.

Le BIM et le jumeau numérique

BIM (Building Information Modeling) is driving the digitalization of the construction industry, using multidisciplinary models and cloud collaboration to inform the design and management of built assets and the systems inside them.

Digital twins realize the full potential of BIM, connecting data and processes with dynamic, real-time, bidirectional information management. Digital twins can be created without BIM, but bringing them to their full potential starts with the integrated workflows and information sharing that already power the BIM process—starting with BIM is a much more efficient way to get there.

The Future of BIM and Digital Twins

In the future, most digital twins will be integrated into the BIM process to give everyone better insights in a standardized environment. The value of these insights extends beyond any single project; captured data can be fed back into the planning and design phases of new projects, applying data learning to continually improve them.

The Smart City and Digital Twins: A Natural Pairing

Dans le secteur du BTP, le BIM (Building Information Modeling) est le moteur de la transition numérique. Il informe la conception et la gestion des biens et de leurs systèmes à l’aide de maquettes multidisciplinaires et d’outils de collaboration à distance.

En proposant une gestion dynamique, bidirectionnelle et en temps réel des informations, les jumeaux numériques font le lien entre les données et les processus, et tirent pleinement parti du potentiel du BIM. Il est tout à fait possible de créer des jumeaux numériques sans modéliser les données du bâtiment. En revanche, ils ne pourront pas exploiter tout leur potentiel sans les flux de travail intégrés et le partage d’informations qui alimentent déjà le processus BIM. Pour ce faire, il est donc préférable de créer une maquette numérique au préalable.

L’avenir du BIM et du jumeau numérique

À l’avenir, la plupart des jumeaux numériques seront intégrés au processus BIM afin d’offrir de meilleures perspectives dans un environnement normalisé. Et le bénéfice de ce processus s’étend au-delà d’un seul projet, car l’apprentissage des données permet d’améliorer constamment la planification et la conception de nouveaux projets en transposant les données recueillies des projets précédents.

La ville intelligente et son avatar virtuel : un jumelage évident

L’utilisation de jumeaux numériques ne se limite pas à des cas isolés. En employant plusieurs jumeaux numériques à la fois, les concepteurs parviennent à construire un écosystème connecté, et à en optimiser les performances au fil du temps.

En réfléchissant au-delà de la structure individuelle, on commence alors à envisager le potentiel plus large des jumeaux numériques sur le plan économique, social et environnemental. Il est par exemple possible d’analyser et d’optimiser en temps réel la consommation d’énergie, les réseaux sans fil, les transports publics, les systèmes de sécurité et l’efficacité des infrastructures d’une ville intelligente, grâce à la modélisation des informations géographiques et aux capteurs IdO. Par la même occasion, les villes intelligentes sont en mesure de s’adapter à leur environnement et de répondre à des situations d’urgence telles que les pandémies et les catastrophes naturelles.

En recueillant et en interprétant des données sur des éléments tels que la croissance démographique, les ressources naturelles et les conditions climatiques, les jumeaux numériques jouent un rôle dans la construction de villes plus résilientes, et permettent aux entreprises de mieux répondre aux défis mondiaux.

Et c’est déjà le cas de plusieurs métropoles à travers le monde. À Singapour, la plateforme numérique 3D du projet Virtual Singapore permet aux utilisateurs de différents secteurs de mettre au point des outils capables de résoudre les problèmes complexes de la ville, qu’il s’agisse d’améliorer les parcs ou de développer des voies d’évacuation. En Inde, la nouvelle capitale de l’Andhra Pradesh, Amaravati, une « ville intelligente » à 6,5 milliards de dollars, est en train de sortir de terre grâce à un jumeau numérique comptant plus de 1 000 ensembles de données permettant de gérer les autorisations, l’avancée des travaux, et d’évaluer l’efficacité de la conception compte tenu du climat extrême de la ville.

Le jumeau numérique au fil du temps

Les années 60

Le concept de jumeau numérique remonte aux années 60, lorsque la NASA met au point un « système miroir » pour exécuter les simulations des systèmes utilisés dans l’espace au moyen de répliques physiques complexes au sol.

Ces simulateurs se sont avérés déterminants lors de la tristement célèbre mission Apollo 13. Au cours de l’une des missions de sauvetage les plus épiques de l’histoire américaine, quinze modèles contrôlés par ordinateur ont permis aux ingénieurs d’analyser et de recréer les conditions à bord du vaisseau spatial endommagé à plus de 320 000 km de la Terre, et d’utiliser ces informations pour ramener l’équipage.

Les années 2000

La création du concept de jumeau numérique appliqué au cycle de vie des produits revient en grande partie au Dr Michael Grieves, responsable scientifique pour la fabrication avancée à l’Institut technologique de Floride. Lorsqu’il le présente lors d’une conférence de la Société des ingénieurs de production en 2002, il propose la création d’un centre dédié à la gestion du cycle de vie des produits. Ce dernier comprend la représentation physique, virtuelle, et l’échange d’informations entre ces deux composantes.

S’il n’y eu aucun doute quant au potentiel du jumeau numérique et sa puissance de calcul, la connectivité et le stockage de données s’avéraient toutefois bien trop onéreux pour la plupart des entreprises. L’idée est alors restée une chimère pendant des décennies. Néanmoins, l’évolution de l’IA et des technologies IdO au cours des cinq dernières années a rendu ce projet plus réaliste.

Les années 2020

Le marché mondial du jumeau numérique devrait atteindre 48,2 milliards de dollars d’ici 2026.

Si les jumeaux numériques ont trouvé leur place dans le secteur industriel, ils ont encore de la peine à se faire connaître au sein de l’AEC, qui est moins standardisé, plus fragmenté, et qui a toujours traîné à adopter les processus numériques. Cependant, à mesure que le secteur du BTP poursuit sa transformation numérique, accélérée par les méthodes de travail à distance imposées par la pandémie de Covid-19, les entreprises les plus avant-gardistes ont compris que les jumeaux virtuels deviendraient indispensables pour chaque phase de la conception, de la construction et des opérations. Et elles sont déjà nombreuses à chercher à les intégrer à leurs processus.

Les 5 niveaux du jumeau numérique

Les jumeaux numériques fonctionnent selon cinq niveaux de maturité. Les représentations les plus simples intègrent les données provenant de diverses sources, et les plus avancées sont capables d’agir de manière autonome.

Niveau 1 : le jumeau descriptif

Le jumeau descriptif est une version vivante et modifiable des données de conception et de construction, soit une réplique visuelle d’un actif construit. Les utilisateurs précisent le type d’informations à prendre en compte ainsi que la nature des données à extraire.

Niveau 2 : le jumeau informatif

Ce niveau comporte un degré supplémentaire de données opérationnelles et sensorielles : le jumeau capture et agrège les données définies, puis procède à une vérification de cet ensemble afin d’assurer la compatibilité des systèmes.

Niveau 3 : le jumeau prédictif

Ce jumeau est capable d’utiliser les données opérationnelles pour obtenir des informations, comme une voiture indique la nécessité de faire une vidange.

Niveau 4 : le jumeau complet

Cet avatar simule des scénarios futurs et procède à l’analyse des hypothèses.

Niveau 5 : le jumeau autonome

Le jumeau a la capacité d’apprendre et d’agir au nom des utilisateurs.

Il faut toutefois souligner que le secteur de l’AEC utilise actuellement les niveaux de maturité 1 et 2. Les niveaux 3, 4 et 5, qui regorgent de données en temps réel fournies par des capteurs intégrés et les technologies IdO, se profilent à l’horizon.

Au-delà des nouvelles constructions avec l’intervention intelligente

L’usage des jumeaux numériques ne se limite pas aux bâtiments neufs. Le clone virtuel d’un bâtiment ou d’une infrastructure existante permet de mieux comprendre son fonctionnement et son potentiel.

Recourir à l’intervention intelligente pour une structure existante revient à améliorer ses performances et la gestion des risques tout en minimisant les zones d’incertitude. Entrepreneurs, fournisseurs, investisseurs, propriétaires et occupants : on voit bien comment tous les acteurs de la chaîne de valeur ont à y gagner.

Créer un jumeau numérique pour une structure existante n’est pas toujours une mince affaire, surtout en l’absence de documents numériques. Néanmoins, le balayage laser et la photogrammétrie permettent de combler ces lacunes et de créer un modèle de nuage de points avec un degré élevé de précision. Ce sont d’ailleurs les technologies de capture de la réalité qui ont récemment servi à créer un jumeau numérique de la cathédrale Notre-Dame de Paris afin de faciliter les rénovations après l’incendie dévastateur de 2019.

Cloner les structures existantes

Le développement de jumeaux numériques de certaines catégories d’actifs existants qui comportent des systèmes plus exposés (par exemple, une usine de traitement des eaux) donne moins de fil à retordre. Indépendamment de l’actif en question, l’investissement en vaut la chandelle si l’objectif est de disposer d’un actif plus rentable, plus durable et plus résilient à long terme. Utilisés dans le cadre de systèmes plus vastes, les jumeaux numériques sont en mesure d’aider les sociétés à devenir plus durables, plus dynamiques et plus réactives.

Les 4 avantages du jumeau numérique

Les jumeaux numériques offrent des atouts à court et à long terme. À court terme, les avantages concernent surtout l’exploitation : ils sont une source unique de données fiables, contribuant ainsi à réduire les coûts, à diminuer les risques et les incertitudes, et à maximiser l’efficacité des bâtiments. À long terme, ils renforcent la valeur du BIM tout au long du cycle de vie de l’actif.

1. Pour les propriétaires : des décisions plus éclairées et un meilleur retour sur investissement

Les propriétaires peuvent difficilement surveiller, gérer et, en fin de compte, tirer pleinement parti de leurs installations lorsque les données se perdent dans des systèmes cloisonnés. Les jumeaux numériques permettent alors de prendre de meilleures décisions commerciales dès les phases de planification et de conception, en leur donnant accès à des données pertinentes et utiles pour explorer divers scénarios permettant de maximiser les performances et de prolonger le cycle de vie de leurs investissements.

2. Pour les gestionnaires : une exploitation et une maintenance simplifiées

Dès le départ, les propriétaires et administrateurs sont à même de gérer efficacement les actifs, sans avoir à se battre avec des documents de maintenance difficiles à interpréter (ou manquants). En effet, les documents analogiques, non classés et individuels peuvent grandement entraver la création d’une solution intégrée pour surveiller, gérer et améliorer les actifs. En d’autres termes, les propriétaires et les gérants doivent composer avec des données et des systèmes cloisonnés, des informations inexactes, un manque de transparence, et une idée du rendement de leurs actifs qui ne correspond pas à la réalité, ce qui les empêche de tirer parti de tout le potentiel des bâtiments intelligents.

Le jumeau numérique est un véritable fil conducteur qui fusionne les données agrégées de manière simple, exécutant les tâches les plus lourdes, telles que la maintenance et l’optimisation de la consommation d’énergie, et permettant ainsi aux gérants de se concentrer sur leur travail.

De plus, les données liées aux installations évoluent sans cesse. À l’aide des jumeaux numériques, les gestionnaires sont non seulement en mesure de savoir quand les changements sont nécessaires et par qui ils sont effectués, mais aussi d’anticiper la régularité des besoins en matériaux et en main-d’œuvre, de réduire le gaspillage et de renforcer la sécurité du site.

3. Pour les entreprises du secteur AEC : une valeur ajoutée qui crée plus d’opportunités

C’est très simple : plus les entreprises du secteur AEC peuvent proposer des services et offrir une valeur ajoutée, plus elles décrochent de projets. « Pour notre clientèle AEC, cela représente une occasion de fournir davantage de données aux propriétaires, explique Robert Bray, directeur général d’Autodesk Tandem. Sans compter qu’après la livraison du bâtiment, un actif numérique qui réplique le modèle tel qu’il a été construit permet de se connecter aux systèmes opérationnels et de répondre à leurs questions. »

Enfin, l’exploitation à elle seule permet de réaliser près de 80 % (PDF, p. 6) de la valeur du cycle de vie d’un actif. En collaborant dès le départ avec les propriétaires pour fixer les priorités et les attentes de rendement, les entreprises AEC les aident maximiser leur investissement grâce aux économies d’énergie, en améliorant la maintenance, et en offrant une meilleure qualité de vie aux occupants.

4. Pour tous : une plus grande valeur à long terme

Au fur et à mesure que les jumeaux numériques se font une place dans le secteur de l’AEC, les concepteurs et les propriétaires peuvent mettre au point des stratégies de rendement de leurs actifs et analyser les implications à plus grande échelle. À l’avenir, le jumeau numérique pourrait devenir la pierre angulaire des villes plus résilientes face aux défis mondiaux, qu’il s’agisse de croissance démographique effrénée, de diminution des ressources naturelles ou d’une prochaine pandémie.

L’avenir du jumeau numérique

Grâce à leur capacité à intégrer davantage les technologies de l’IA et de l’apprentissage automatique, les jumeaux numériques ne seront plus de simples outils conceptuels, mais deviendront de véritables compagnons intelligents et autonomes à mesure que se développeront les fonctionnalités logicielles.

De plus, avec l’adoption des technologies IdO, le marché de ces avatars virtuels a le vent en poupe : d’après les prévisions de MarketsandResearch, jusqu’à 91 % des plateformes IdO fourniront des systèmes de jumelage numérique d’ici 2026, et qui feront partie intégrante des applications IdO d’ici 2028.

Par ailleurs, les villes novatrices suivent la tendance : le marché des solutions prises en charge par les jumeaux numériques dans les villes intelligentes devrait atteindre 3,77 milliards de dollars d’ici 2026. ABI Research prédit également le déploiement de cette technologie dans plus de 500 villes intelligentes d’ici 2025.

Même si la réalisation de tout le potentiel de ces écosystèmes intelligents et connectés n’est pas encore d’actualité, les entreprises tournées vers l’avenir s’engagent déjà dans cette direction. Au fur et à mesure qu’elle continue de remodeler le secteur de l’AEC, la transformation numérique apporte des outils performants et de meilleurs processus, aidant ainsi les concepteurs et les ingénieurs à sortir de leurs silos.

Les données existent déjà. Le défi consiste à intégrer des informations non standardisées provenant de sources diverses dans des outils communs, et de trouver des moyens d’utiliser ces données pour répondre aux besoins de l’AEC. Les acteurs qui profitent des avantages de l’exploitation des données aujourd’hui sont les mieux placés pour réussir à créer les ouvrages de demain.

Nous remercions tout particulièrement l’auteure Sarah Jones pour avoir effectué des recherches supplémentaires et rédigé cet article.