Aérogare 3 de l'aéroport international de Shenzhen Bao'an

La construction du nouveau terminal 3 de l'aéroport international de Shenzhen Bao'an est basée sur le concours remporté par les architectes Massimiliano et Doriana Fuksas, Rome, assistés par l'équipe d'ingénieurs de Stuttgart, Jan Knippers et Thorsten Helbig de Stuttgart.

Sur une organisation du bâtiment et une structure en plan imposées par la société aéroportuaire, une forme de terminal aux formes libres a été développée, qui permet une entrée de lumière du jour contrôlée de manière différenciée grâce à une structure d'enveloppe perforée à deux couches. La surface totale du projet est d'environ 400.000m² et s'étend sur une longueur totale d'environ 1.500 mètres, y compris le centre de transport qui y est relié. Le nouveau terminal 3, qui mesure L × ; l × ; H = 1251 × ; 642 × ; 43 mètres, remplace entièrement l'aéroport existant et a une capacité de 24 millions de passagers par an. Au cours des prochaines étapes d'extension, la capacité sera portée à 45 millions de passagers d'ici 2035.

La structure libre du bâtiment se caractérise par une enveloppe de façade perforée qui génère de manière ciblée des situations alternées de lumière du jour dans le Concourse. L'enveloppe de forme libre de près de 300 000 mètres carrés se compose de deux niveaux de façade avec environ 25 000 ouvertures hexagonales chacun. Lors du concours entre huit équipes internationales d'architectes et d'ingénieurs, le concept d'un treillis spatial à deux couches en profilés creux en acier a été développé, qui réagit de manière statiquement efficace, grâce à l'espacement des couches de membrures, aux portées et aux conditions géométriques de la forme architecturale du hall du terminal et des couloirs. Ainsi, le toit légèrement incurvé du hall d'entrée de 642 mètres de large est conçu comme une grille de poutres en treillis tendue sur deux axes avec un espacement des membrures de 4,5 mètres maximum. Les charges verticales dans le système orienté orthogonalement sont transmises dans deux directions entre les poteaux disposés tous les 36 mètres. Comme pour une table, les poteaux sont intégrés de manière rigide dans la structure porteuse du toit et reposent de manière articulée sur le plan de l'étage. Le système de drainage de la surface d'environ 50 000 mètres carrés du toit du terminal est également intégré dans les piliers qui se rétrécissent en cône vers la base.

Les structures de toit en forme d'arc du 'main concourse' (d'une longueur d'environ 750 mètres) et des 'cross concours' (d'une longueur totale d'environ 600 mètres) s'étendent sur 43 mètres sans piliers et s'évasent latéralement jusqu'à 65 mètres. Au point d'intersection avec les cross-concours qui bifurquent transversalement à mi-longueur, le hall s'élargit en une 'piazza' d'environ 80 mètres de large. Dans la zone d'intersection, des structures de soutien arborescentes soutiennent les poutres en arc. Les composants d'appui horizontaux sont court-circuités par des tirants dans le plan des pieds.

De nombreuses variantes ont été étudiées afin de développer une structure porteuse efficace pour le Concourse, adaptée à la perforation hexagonale de la façade, imposée par l'architecture, et insérée entre l'enveloppe extérieure et intérieure. Une orientation diagonale de la structure porteuse correspondant aux ouvertures ne constitue pas en soi une solution favorable, car elle ne suit pas le chemin de charge direct entre les lignes d'appui. Cette fonction est assurée par les arcs principaux, espacés de 18 mètres, qui sont conçus comme des "poutres jumelles". La division d'une large poutre simple passant au milieu de l'ouverture en deux moitiés de poutres fines déplacées vers les bords de l'ouverture hexagonale permet d'améliorer la visibilité à travers les fenêtres. Les poutres jumelées, disposées à un intervalle régulier de 18 mètres, sont constituées de profilés creux rectangulaires assemblés dont l'épaisseur des parois est optimisée en fonction des sollicitations locales. Au point d'appui, ils sont assemblés pour former une pièce moulée de grand format. Grâce au nombre élevé de répétitions, le coût élevé des moules peut être réparti sur de nombreuses pièces et est donc plus économique qu'une solution composée de tôles individuelles et soudée. Au moment de leur fabrication, elles faisaient partie des plus grandes pièces moulées fabriquées jusqu'alors en Chine.

Le maître d'ouvrage et la "commission d'experts" mise en place par les autorités publiques ont accordé une grande attention non seulement à la faisabilité des solutions proposées dans le contexte de la normalisation et des pratiques de construction chinoises, mais aussi au poids de construction de la solution de treillis spatiale conçue. En raison de l'expérience de l'énorme consommation d'acier pour les structures de toit des bâtiments sportifs pour les Jeux olympiques, les constructions spéciales étaient soupçonnées d'être a priori non rentables. Afin de minimiser la consommation de matériau, les distances entre les membrures ont été adaptées en fonction des intentions architecturales et des contraintes locales de moment de flexion. Une optimisation supplémentaire du profil a pu être obtenue grâce à l'échelonnement itératif des sections dans le processus de génération paramétrique.

La segmentation de la structure de toit de 1251 mètres de long représente un défi particulier en matière de planification structurelle. Par rapport à la structure en béton, la structure en acier présente de plus grandes variations de longueur dues à la température. Afin de minimiser les contraintes mutuelles, une stratégie d'appui spéciale a été développée. Il s'agissait de concilier deux stratégies d'optimisation opposées : D'une part, la dilatation longitudinale de la structure en acier due à la dilatation thermique devait être possible sans entrave. Pour ce faire, un appui glissant et sans contrainte longitudinale de la section de structure porteuse à partir d'un point fixe central est le plus approprié. D'autre part, en cas d'accélérations horizontales élevées dans le sens de la longueur, comme cela peut être le cas lors d'un séisme, les forces résultantes doivent être réparties sur le plus grand nombre possible d'appuis horizontaux afin d'éviter des pics de charge locaux élevés. Des appuis 'à ressort' ont donc été prévus dans le sens longitudinal de Concourse. Les ressorts sont réglés de telle sorte que les dilatations longitudinales d'origine thermique n'opposent qu'une faible résistance, mais qu'en cas de forte accélération horizontale due à un tremblement de terre, on obtient une répartition presque uniforme des forces d'appui. Les courbes caractéristiques des ressorts nécessaires à cet effet, calibrées différemment et réglées de manière dégressive, sont réalisées à l'aide de rondelles-ressorts disposées de part et d'autre du point d'appui.

Outre le 'design process' classique, dans lequel nous avons conçu et réalisé la structure et la façade en étroite collaboration avec l'architecte, depuis la conception de la structure jusqu'au développement et à la réalisation du détail de l'appui, le 'process design' a toutefois été la clé de la réalisation de ce projet de terminal relativement grand et complexe en seulement cinq ans et demi, du concours à l'achèvement.

La plateforme de données commune, basée sur des paramètres, a été développée par Knippers Helbig, affinée au cours de la planification et les données initiales ont été transmises pour l'exécution. Le script développé en interne place des points de référence des éléments de panneaux sur les surfaces enveloppantes de forme libre développées par les architectes, à un entraxe prédéfini. Dans la cellule ainsi définie, un algorithme basé sur la géométrie détermine ensuite tous les autres points d'angle des axes du système pour les segments de panneaux transparents et opaques. Entre les points de référence des surfaces enveloppantes extérieures et intérieures, les relations géométriques programmées permettent d'obtenir la structure porteuse spatiale située entre les deux. Le script est ainsi en mesure de développer la géométrie complète des axes du système de la structure porteuse avec environ 200 000 barres individuelles et la façade composée de 60 000 éléments, en se basant sur des modèles de surfaces enveloppantes prédéfinis.

L'aéroport de Bao'an est ainsi le plus grand projet de construction développé et construit à ce jour sur la base d'un modèle paramétrique. Cette approche ouvre des possibilités fondamentalement nouvelles pour la planification et la construction du futur. Il n'est pas seulement possible de planifier des structures et des façades géométriquement complexes, impensables jusqu'à présent. Dans le modèle global organisé de manière paramétrique, les aspects statiques, physiques et énergétiques peuvent être combinés de manière à ce que l'algorithme n'autorise que les solutions qui se situent dans l'espace de solution visé de toutes les données caractéristiques considérées. Le processus de conception n'est alors plus un traitement successif de facteurs individuels déterminant la conception, mais une combinaison des aspects partiels dans une optimisation simultanée et multicritère. La méthode de planification basée sur les paramètres recèle le potentiel d'un changement de paradigme pour le rôle de l'ingénieur et de tous les participants au processus de planification.

Les ingénieurs ont eux-mêmes le choix de participer activement au développement, à la conception et au remplissage du 'process design' ou de laisser le champ libre à d'autres.

Rapport explicatif de Knippers Helbig Advanced Engineering pour la soumission au Ulrich Finsterwalder Ingenieurbaupreis 2015

Auteur: Thorsten Helbig