Thèses en cours au sein du projet Gunzo

Plusieurs thèses sont en cours depuis 2009 au sein de notre équipe :

-Travaux de recherche sur la photomodélisation à partir d'images photographiques très haute résolution (> 50Mpixels) par Hiep vu HOANG -Ecole des Ponts ParisTech, laboratoire Imagine.

- Représentation de simulation thermique en réalité virtuelle ou réalité augmentée pour la construction durable par Yudi NUGRAHA BAHAR - Gunzo - Institut Image/Université de Bourgogne.

- Formaliser la chaîne de réalité mixte, dans le but de mettre en évidence un squelette sur lequel pourra s'appuyer toute application de réalité mixte par Emmanuel DURAND - Gunzo LE2I - Institut Image/ on-situ.

- Matériaux et décors colorés dans l’abbatiale de Cluny III : étude archéométrique et archéologique par Stéphanie CASTANDET - Gunzo LE2I / Institut Image/ IRAMAT - CRP2A – Université de Bordeaux.

- Accès, perception et géolocalisation de données 3D en réalité augmentée mobile

par Jérémie LANDRIEU - Gunzo LE2I / Institut Image.

Directeur de thèse: Frédéric Merienne

Encadrants de thèse: Christian Père, Christophe Nicolle

Qu'est ce que le BIM? 

Le concept BIM (Building Information Modeling) relève de l'outil de la maquette numérique au service du secteur de l'Architecture, Ingénierie, Construction (AIC, en anglais : AEC pour Architecture Engineering Construction). Son apparition découle de la modernisation de ce secteur, de l'optimisation des workflows ainsi que des évolutions technologiques. C'est un processus de génération, stockage, gestion, partage de données multi-métiers en flux multidirectionnels et interopérable durant le cycle de vie d'un bâtiment (BLM- Building Lifecycle Management). 

L'adoption du BIM est encouragée par le constat d'obsolescence du système actuel : la surenchère continue du "construire mieux, plus vite et à moindre coût" amène les professionnels du secteur, et en particulier les maîtres d'œuvre, à considérer cet outil avec pragmatisme. L'apparition des technologies numériques, les nouveaux modes de communication pouvant faciliter le travail collaboratif entre acteurs nombreux et distants, l'optimisation des processus de fabrication, de prise de décision, de flux d'action ont considérablement conditionné l'industrie manufacturière et, à présent, l'industrie de la construction s'y prépare. Les considérations éco-citoyennes, la maitrise des coûts, la nécessité d'outils interopérables sont autant de problématiques démontrant la pertinence de l'outil. 

Cluny est depuis quelques années un site pilote sur les thématiques de réalité virtuelle/réalité augmentée. A la suite des bornes ray-on réalisées par on-situ, Gunzo entend occuper ce segment de recherche et développement. Le projet VISION (anciennement SARAM pour Système Autonome de Réalité Augmentée Mobile - a apporté une première réponse aux problématiques de mobilité selon les six degrés de liberté, au moyen d'un périphérique portable. Afin d'orienter les recherches vers des secteurs industriels et non plus patrimoniaux, l'idée selon laquelle ce périphérique pouvait idéalement faire le lien entre le modèle BIM et les acteurs sur le terrain a germé, donnant naissance au concept de BIM in situ.

Cette direction de recherche génère des problématiques scientifiques et techniques telles que : 

Verrous technologiques

• La gestion des technologies de multimodalité en environnement de réalité augmentée ;
• L'adéquation des principes d'interférence utilisateur/modèle à la perception humaine ;
• Les performances bornées en ce qui concerne le télé-transfert de données lourdes pour une exploitation in situ ;
• La fiabilité des systèmes de géopositionnement (position et orientation) en environnements ouverts/couverts :
• L'optimisation des modalités d'interaction avec le périphérique ;
• Le dimensionnement du périphérique selon le protocole d'accès aux données (calcul déporté/ calcul en local) pour un usage en réalité augmentée mobile. Ce verrou met notamment en œuvre le Cloud Computing ; 

Verrous scientifiques

• La représentation sur site du modèle numérique et ses interactions avec le contexte environnemental ;
• Gestion dynamique du projet (interaction en temps réel avec le planning, gestion du chemin critique...) ;
• Analyse des coûts (Virtual Costing) : outil puissant pour le conducteur de travaux et pour l'architecte dans la gestion de l'aménagement du bâtiment (second œuvre et ameublement)
• Analyse des écarts (entre le modèle construit et le modèle théorique) ;
• Capitalisation des versions temporelles du bâtiment sous forme numérique : intéressant pour l'analyse du bâtiment durant son cycle de vie/ pour les opérations de maintenance.

Constitution d'une "salle blanche"

2011 coïncide avec la deuxième année de thèse, c'est à dire l'année de la conduite des expérimentations. Pour ce faire, un plateau technique localisé au sein des bâtiments conventuels va être installé. L'expérimentation va se dérouler de sorte à privilégier un verrou scientifique, et à minimiser l'impact de certains verrous technologiques. Par exemple, le problème de précision de géolocalisation sera résolu par l'utilisation d'un système de tracking optique dit ART. 

Définition d'un scénario d'expérimentation

L'expérimentation vise à répondre à la problématique d'accès sur chantier à la maquette BIM, en contexte de réalité augmentée (géolocalisation en position et orientation). De plus, on se place dans une solution mettant en œuvre le cloud computing, c'est à dire le rendu déporté: l'interface manipulée par l'utilisateur - un tablet PC - ne reçoit qu'un flux de pixels et les calculs sont réalisés en temps réel sur une machine autonome (PC1 dans le schéma ci-après). PC1 réalise le rendu temps réel à partir d’une maquette BIM au format IFC. La mise à jour de la vue sous Virtools (grâce aux deltas selon les six degrés de liberté) est transmise à l'utilisateur via Wifi.

L'expérimentation sera réalisée en intérieur et simulera la planification de travaux de rénovations. La base de données BIM sera constituée de la maquette simplifiée du local, munie de ses réseaux de distributions (systèmes CVC, plomberie, électricité, téléphone, internet...). Destinée aux professionnels de la construction avec un accès aux données filtré selon la compétence métier, cette application permettra en outre des prises de cotes, des visualisations de propositions de travaux de rénovation, et la visualisation des échanges thermiques liés à chacune de ces propositions de réhabilitation.

Eléments de bibliographie :

[1] Behzadan, A. H., Kamat, V. R., 2006, Animation of Construction activities in outdoor augmented reality.

[2] Hakkarainen, M., Woodward, C., Rainio, K., 2009, Software Architecture for Mobile Mixed Reality and 4D BIM Interaction Architecture, Design & Construction, Springer.

[3] Henderson, S. J., Feiner, S., 2009, Evaluating the Benefits of Augmented Reality for Task Localization in Maintenance of an Armored Personnel Carrier Turret, Columbia.

[4] Kazi, A. S., Aouad, G., Baldwin, A., 2009, D4AR- A 4-Dimensional augmented reality model for automating construction progress monitoring data collection, processing and communication.

[5] Ke, C., Kang, B, Chen, D., Li, X., 2005, An augmented reality-based application for equipment maintenance

[6] Tripathi, A, 2000, Augmented Reality Application for Architecture.

[7] Wang, X., Schnabel M.A., 2009, Mixed Reality in Architecture, Design & Construction, Springer.

[8] Woodward, C., Hakkarainen, M., Rainio, K., 2009, Mobile Augmented Reality for Building and Construction 

- Représentation de simulation thermique en réalité virtuelle ou réalité augmentée pour la construction durable

par Yudi NUGRAHA BAHAR - Gunzo - Institut Image/Université de Bourgogne.

Directeur de thèse : Christophe Nicolle

Encadrant de thèse : Christian Père

Contexte

Le bâtiment consomme 40% de l'énergie primaire dans le monde. Le bénéfice en terme d’émission de carbone peut ainsi être très important dans ce domaine. Le secteur du bâtiment a aussi le plus grand potentiel pour réduire la consommation d'énergie. Actuellement, 30% des émissions mondiales de CO2 et 40% de la consommation des ressources mondiales est le résultat de la construction de bâtiments (PE International). La philosophie de la “construction verte” menée en France par le Grenelle de l'Environnement, vise à généraliser la construction de “bâtiments à faible consommation d'énergie” et “bâtiments à énergie positive". En France, l'objectif est de réduire la consommation d’énergie des bâtiments existants d'au moins 40% dans un futur proche, grâce à des travaux de restaurations thermique et énergétique et une approche Haute Qualité Environnementale Standard. Le Grenelle de l’Environnement propose d'accélérer la recherche et l'innovation, en particulier dans les technologies de l'information et de la communication au sein de l’architecture, l’ingénierie et la construction dans ce domaine.

Cette thèse s'inscrit dans ce contexte et la dynamique lancée par l'Institut Image d’Arts et Métiers ParisTech sur l'immersion virtuelle et l'architecture. Cette recherche est également intégrée dans le cadre du projet CALLISTO avec des partenaires comme le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB), Bouygues Construction International, la Cité des Sciences et de l'Industrie.

Il vise à représenter les résultats des calculs de simulation thermique sous forme de métaphores graphiques en 3D, en temps réel, en immersion virtuelle, ou dans un environnement de réalité augmentée. 

Objectif

L'objectif de la thèse est d'effectuer des recherches en immersion virtuelle sur la visualisation en temps réel de simulation thermique du projet de construction durable. Au-delà de la visualisation de grandes bases de données résultant de calculs en amont, les expériences auront pour objectifs de proposer des nouvelles représentations de données (surfaces, particules, graphiques, etc).

Les tests seront effectués dans les salles de réalité virtuelle (4 faces CAVE et 2 faces salle immersive LITE) de l'Institut Image. Les travaux porteront aussi sur l'intégration des résultats des tests dans la norme de la SFI pour une meilleure interopérabilité entre les outils de CAO, les logiciels de simulation thermique et les outils de réalité virtuelle.  

Les verrous scientifiques comprennent :

• Etudier les avantages apportés par la visualisation en temps réel sur une grande échelle de la simulation thermique. Cela afin d’aider à la prise de décision pendant les réunions avec les acteurs du bâtiment (partie prenante, architectes, ingénieurs, designers, etc.) ;
• Définir la solution la plus adaptée pour représenter les données selon le type de construction et la localisation (intérieur ou extérieur du bâtiment) ;
• Proposer des représentations à différentes échelles (territoire, ville, bâtiment) de simulation thermique ;
• Développer des perspectives de recherche en étendant la visualisation à d'autres types de simulation (l'analyse structurelle, l'acoustique, l'aérodynamique, le temps - le vent, la neige-, etc). 

Les verrous technologiques sont :

• Comprendre les résultats et adapter les formats des logiciels de calcul thermique vers de véritables outils de visualisation en temps réel ;
• Intégrer les données de simulation dans la maquette numérique du bâtiment (BIM - IFC) ;
• Proposer des formes diverses de représentations (textures, particules, surface, etc.) ;
• Mettre au point une interface ergonomique homme-machine permettant dans le même temps une demande facile par des critères sémantiques et une sélection des différents résultats de calcul.

Workflow d'analyses thermiques, de calcul et de simulation et son interopérabilité en réalité virtuelle et augmentée

(Source : Ecotect Analysis and Virtools)

(Source : Ecotect Analysis and Virtools)

Activités

1. Etat de l'art sur ​​les différents outils de simulation thermique et de calcul ;

2. Etat de l'art sur ​​les représentations 3D « classiques » des résultats de simulations en temps réel (logiciels Avizo ou Amira par exemple) ;

3. Bibliographie scientifique ;

4. Spécifications des outils matériels et logiciels nécessaires pour les expériences ;

5. Des expériences avec divers scénarii BIM (Building Information Modeling) en immersion virtuelle et réalité augmentée ;

6. Évaluation des métaphores de visualisations proposées ;

7. Perspectives scientifiques et technologiques ;

8. Publications scientifiques (niveau A).

 Evaluation thermique  : processus d’expérimentation pour la visualisation thermique dans un bâtiment

(Source: Thermal Calculation of Villa Shodan with Ecotect)

Eléments de bibliographie :

Marie-Claude Dubois, Miljana Horvat, 2010, State-of-the-art of digital tools used by architects for solar design, IEA SHC Task 41 - Solar Energy and Architecture, Subtask B - Methods and Tools for Solar Design.

US GSA, Statsbyggm, 2009, Information Delivery Manual (IDM) for BIM Based Energy analysis as part of the Concept Design BIM 2010.

Andrew Bagnall, 2009, MP218-1 Advanced Building Analysis Using Autodesk^® Revit^® MEP, Ecotect^® and IES Virtual Environment^®– Australia. Autodesk University.

buildingSMART. 2011. http://www.buildingsmart.com/

Ali M. Malkawi, Ravi S. Srinivasan, 2005, A new paradigm for Human-Building Interaction: the use of CFD and Augmented Reality, Automation in Construction 14 (2005) 71– 84, www.elsevier.com/locate/autcon.

John I. Messner, 2008, Editorial: Special Issue on Virtual and Augmented Reality in Design and Construction, http://www.itcon.org/2008/31 

- Matériaux et décors colorés dans l’abbatiale de Cluny III : étude archéométrique et archéologique 

par Stéphanie CASTANDET - Gunzo LE2I / Institut Image/ IRAMAT - CRP2A – Université de Bordeaux.

Encadrement

Nicolas REVEYRON (directeur de thèse), Professeur d'histoire de l'art et archéologie du Moyen Age et Directeur du laboratoire Archéométrie et Archéologie - Origine, datation et technologie des matériaux (UMR 5138), Université Lyon 2.

 Thèmes de recherche : la construction en pierre, l’organisation de l’espace ecclésial, la lumière architecturale.

Françoise BECHTEL (codirectrice de thèse), Professeur de physique, Université Bordeaux 3 – IRAMAT-CRP2A (UMR 5060).   

IRAMAt-CRP2A : Institut de Recherche sur les Archéomatériaux – Centre de Recherche en Physique Appliquée à l'Archéologie. 

 Floréal DANIEL, Ingénieur de Recherche IRAMAT-CRP2A, responsable du pôle Peintures Murales. 

Pour découvrir l'article lié à sa thèse, merci de consulter