Documenter le passé, au présent, pour le futur! Le scan 3D au service du patrimoine.

Le scan 3D est une technique moderne qui permet de mesurer rapidement des objets, des bâtiments, etc. Celui-ci peut mesurer autant une usine, un site industriel, que des bâtiments plus ou moins modernes, ou encore servir à documenter avec précision des vestiges archéologiques. Que ce soit pour leur conservation ou leur transformation, les applications de scan 3D sont des outils efficaces pour faire une copie numérique d’un lieu. Depuis une vingtaine d’années maintenant, ces outils sont utilisés sur des projets de tout acabit, que ce soit pour un objet, un immeuble ou encore un environnement.

L’équipe d’Expertise laser 3D – iSCAN s’est donnée comme mission de : « Documenter le passé, au présent, pour le futur! » autant sur le cadre bâti, sur des vestiges archéologiques ou en réaménagement de sites. Dans cet article, on traitera d’abord les techniques et les outils, puis on abordera des applications et d’études de cas. Les résultats obtenus se présentent à la fois sous la forme de dessins techniques (2D), de maquettes 3D et de processus de monitoring des mouvements dans le temps (4D).

 

UNE ÉVOLUTION DES TECHNIQUES DE MESURAGE

Afin de comprendre l’évolution et l’apport des technologies, une série d’études de cas réalisés en patrimoine industriel, en archéologie, sur des sites industriels modernes, sur des immeubles, et des sites patrimoniaux anciens, modernes, mis en danger, ou de lieux en mutation, seront abordées ci-dessous.

Ces exemples illustrent différentes approches multidisciplinaires de documentation et de mesurage, qui sont issus des méthodes et techniques d’arpentage, d’architecture, de génie industriel, des métiers de la construction, du génie de structure et du génie civil, de la maçonnerie, de l’urbanisme, voire de la  muséologie, de l’archéologie, ou des effets spéciaux et des projections multimédias, etc. Conventionnellement, le mesurage de précision se fait par différents professionnels, voire même d’artistes, selon les besoins spécifiques de leurs spécialités.

Les premiers scans 3D commerciaux ont débuté au milieu des années 1990 lorsqu’on on a scanné des raffineries de pétrole et des sites patrimoniaux. La fondation CYARK est une résultante de cette époque. Plusieurs technologies ont été mises sur le marché depuis lors et il n’est donc pas étonnant que tous les secteurs d’activités reliés aux techniques de mesurage disposent pour la plupart d’applications spécifiques à leur besoin. L’architecture et l’ingénierie civile viennent immédiatement à l’esprit, mais ils existent également des applications visant à documenter des structures complexes, à servir à des fins de construction et même employer comme outil de gestion d’actif. Ces technologies sont généralement rapides, précises, et sécuritaires, tout en assurant une documentation plus exhaustive que par des relevés conventionnels.

Les outils de relevés 3D ou scanneurs, qui sont utilisés pour mesurer des espaces sans qu’il y ait un contact direct, varient selon les besoins et la précision nécessaire. On peut les comparer pour les plus petits à des microscopes ex : Creaform), ou à des règles et des rubans à mesurer à les équipements ou des pièces (ex : Matterport), à des appareils d’arpentages modernes de mesureurs électroniques proches des stations totales (Ex : Leica P40). Ces scanneurs peuvent également être jumelés à des technologies d’imageries aériennes tels que les drones ou encor les véhicules mobiles permettant de capter rapidement de plus grands espaces (Ex : Velodyne). Les scanneurs se différencient donc selon leurs portées et leurs niveaux de précisions.

Lorsqu’on entreprend un relevé 3D, d’entrée de jeu, on doit se poser les questions suivantes : quelle est l’envergure de l’élément à documenter et à quelle distance dois-je le mesurer ? Les réponses à ces questions déterminent le type de scanner à utiliser. En effet, en disposant de ces réponses, on peut choisir un scanneur selon la distance qu’il peut atteindre, la densité de points de celui-ci, l’espacement déterminé entre chaque point (ex : 1/10 mm @ 10 cm ; 6 mm@10 m ; 2,5 cm @ 350 m), et ainsi que la précision relative entre chaque point, en x, y, z, ou selon leur précision absolue sur Terre.

C’est aussi une approche qui permet de combiner les relevés pour différents besoins, assurant ainsi une uniformité des mesures entre les professionnels. En effet, la vision panoramique sur 360 degrés de chacune des stations permet de documenter l’ensemble des composantes visibles d’un environnement scanné. Le scan constitue une archive 3D de référence, et par le fait même, un actif important pour la connaissance technique et la maintenance d’un lieu.

Les logiciels et les capacités de traitement des ordinateurs, tous deux de plus en plus performant, sont des éléments importants des processus de documentation. Chaque station de scan 3D où est installé le scanneur devient une référence de l’environnement capté. Une fois les points de vue combinés, cela génère le canevas 3D de référence, et le nuage de points du projet. Les nuages de points sont ensuite transférés dans un format compatible aux outils de dessins et de modélisation 3D couramment utilisés dans l’industrie.

Considérant qu’un scanneur terrestre peut prendre jusqu’à 1 million de points/seconde, les résultats génèrent des fichiers de grandes tailles sur les projets de plusieurs centaines ou de milliers de stations de scans 3D, parfois convertis en différents formats numériques. De bonnes pratiques de conservations demandent que des copies multiples soient réalisées dans des lieux différents, tout en demeurant accessibles et sécuritaires. Pas étonnant dès lors que l’archivage et la conservation des données numériques à long terme s’ajoutent non seulement aux coûts de tout projet de relevée 3D, mais que la conservation ce patrimoine numérique constitue également un enjeu de taille.

 

LES NUAGES DE POINTS : LE CANEVAS MESURÉ DE LA RÉALITÉ

Sachant que le nuage de point est la résultante d’un processus de scan 3D, il n’est donc pas étonnant que chaque projet et chaque site soit différents et nécessitent une approche adaptée à leurs besoins spécifiques. L’organisation du relevé et des nuages de points se planifie donc selon les livrables 2D, 3D ou 4D, pour un monitoring de déformations, mais aussi comme un outil de gestion. Ce travail exige donc une structuration, selon les suites logicielles spécialisées en architecture et en géomatique, qui permettent l’intégration, la manipulation et la visualisation des nuages de points. Le site, peu importe où il est, se retrouve disponible au bureau, en temps réel, évitant de nombreux allers-retours!

Dans chaque projet, les livrables techniques de qualité reposent sur des méthodologies de relevés. Les normes et les standards des donneurs d’ordres varient également selon le ou les domaines d’expertises requis, et nécessitent des compétences et la maîtrise de technologies spécialisées. Le développement des normes de travail basé sur la précision du scan vise à répondre aux besoins du site à l’étude et de procurer les outils pour une bonne planification des travaux. La collaboration avec les professionnels du milieu est donc essentielle puisque les relevés ont une valeur multidisciplinaire, et peuvent répondre à de nombreux besoins.

 

LE BESOIN LE PLUS COMMUN : LA MISE EN PLAN 2D DE L’EXISTANT

On attribue à ce travail de dessins techniques la mise en plan de site et d’arpentage, de plan d’étages, de toiture, de plafond, les élévations et les coupes, les détails de maçonneries, et autres plans de structure ou de mécanique, etc. La documentation et la représentation des données sont basées sur des concepts de précisions et de niveaux de détails (Level-of-accuracy – LOA et Level-of-details – LOD). La précision réfère à la position du point et de sa représentation 2D ou 3D (ex : au dixième de mm, au cm, ou au pouce) alors que les détails portent sur la précision des éléments à représenter.

 

DÉVELOPPEMENT DE MAQUETTES BIM ET MODÉLISATION 3D INDUSTRIELLE

Une tendance importante de BIM (Building information modeling) se développe et constitue une innovation importante dans le processus de construction. Il s’agit à la fois d’un outil intégré de conception entre les différents professionnels, utile également pour les entrepreneurs, et qui a pour but ultime d’obtenir un outil de gestion de l’immeuble et du site. Dans ce contexte, le scan 3D est un atout puisqu’il permet de documenter l’existant tel quel. Les maquettes BIM sont implémentées dans les projets de constructions et de rénovation d’immeubles, voire pour un suivi de chantier.

– Une représentation précise et détaillée de l’endroit ;
– Assure un échange d’informations entre les professionnels ;
– Une maquette de coordination multidisciplinaire ;
– Modélisation 3D selon des niveaux de détails, par discipline ;
– Conversion en maquette 3D vers d’autres formats.

Lorsque ces concepts sont appliqués à la modélisation et la gestion des données du bâtiment (BIM), le niveau de complexité est décuplé selon le nombre de disciplines impliqué. La notion d’information réfère aux bases de données descriptives des composantes de l’immeuble. Le standard UNIFORMAT II de la norme ASTM E1557 constitue une référence pertinente pour la définition des composantes à documenter et à représenter. Cette standardisation permet d’extraire des tableaux ou des inventaires de composantes par exemple.

Dans le meilleur des mondes, les maquettes 3D réalisées pour un projet serviront à tous les professionnels impliqués dans celui-ci. Que ce soit l’architecte, l’ingénieur en structure, l’ingénieur mécanique, l’ingénieur en tuyauterie ou l’équipe électrique, celle de ventilation, ou sur ceux des appareils mécaniques, ou le gestionnaire/propriétaire, les mêmes données servent à tous, favorisant l’efficacité et la communication. En effet, les maquettes réalisées pour le projet sont aussi utiles pour les gens en marketing afin de présenter le projet.

En conception industrielle, connaître l’existant permet de diminuer le risque d’erreur, et permette un pré usinage des nouveaux équipements, qui n’entrent pas en conflit avec l’existant. Cette détection d’interférence permet par exemple de déterminer un chemin critique pour entrer un équipement majeur sur un chantier en usine, et de pré-calculer les conflits dans l’espace. La précision des dessins et des plans produits pour les clients rendent pratiquement nuls les risques à l’installation, et facilite grandement le préusinage de pièces.

Le scan permet de réaliser des modèles exacts, de faire la rétro-ingénierie de tous les assemblages complexes entrant dans les processus de fabrication mécaniques, incluant des assemblages industriels. L’enjeu au niveau des pièces 3D pour la maintenance peut être adressé pour la reproduction des composantes qui ne sont plus disponibles sur le marché par exemple.

 

LE MONITORING ET L’ANALYSE DE DÉFORMATION

L’utilisation du scan 3D pour des analyses de déformations de façades, de dalles, ou de structures, vise à comparer les données captées à des plans verticaux, selon des plans médians, ou la moyenne des points captés déterminent l’axe du plan.

Le tout est représenté par un code couleur quantifiant les déformations ou les différences, ce qui permet d’identifier des zones potentiellement problématiques, avant même d’intervenir sur le terrain dans le cas d’une inspection, ou de réagir à des modifications sur un chantier. Une maquette 3D théorique et droite permet aussi de comparer avec le réel, ou un état d’avancement de la construction. Cette approche permet également de comparer l’évolution 3D dans le temps, et de quantifier les mouvements.

 

UN OUTIL DE GESTION D’ACTIF

Le scan 3D devient ainsi un outil de gestion d’actif, tel qu’existant, complémentant l’information conventionnelle des plans dits « tel que construit ». Ces outils applicables pour la gestion à long terme de l’immeuble, du site ou de l’infrastructure. Le site devient accessible pour toutes les parties prenantes, via un ordinateur sur le web, qui peuvent ainsi répondre et échanger rapidement entre eux sur des questions à son sujet. Tous les documents techniques générés font
partie intégrante d’un processus de gestion et de maintenance d’actif.

Il est aussi pertinent de mentionner que dans un contexte de construction, des relevés complémentaires peuvent se faire au fur et à mesure de l’avancement des travaux. Ceci permet de valider son avancement et de conserver une archive technique de cette évolution. Ainsi, tous les éléments du squelette et des organes de l’immeuble, de sa structure, de la mécanique, de la ventilation, l’électricité et la plomberie qui seront cachés à la fin du projet demeurent accessibles. Le scan 3D permettra de revenir sur ces éléments en cas de litige, ou à des fins de gestion dans le futur.

Dans un processus de BIM, la gestion intégrée du scan 3D offre des avantages dans un projet. Le relevé s’avère utile à la fois pour connaître l’état physique de l’actif, pour procéder à l’évaluation tant du projet à réaliser et que des coûts reliés à celui-ci, pour assurer le suivi du chantier, et enfin pour servir d’outil de communication. Le retour sur l’investissement se fait effectivement par un meilleur phasage des travaux, ce qui évite des problèmes, diminue les risques d’erreurs sur un chantier, et se reflète par des coûts moindres et des projets de meilleure qualité.

 

DOCUMENTER L’ARCHITECTURE, LE PATRIMOINE MODERNE ET LES PAYSAGES

Beaucoup de projets de scans 3D se font en architecture, tant le nombre de sites est important et que leurs transformations s’effectuent en continu. Le scan 3D constitue un atout important puisqu’il est rapide, précis, et qu’il couvre l’ensemble des espaces et des composantes visibles. Que ce soit pour les façades, les plans intérieurs, la maçonnerie, la mécanique, la toiture, la structure ou encore leur aménagement extérieur.

Nous observons fréquemment lors de la superposition de plans existants avec les relevés 3D que les deux ne concordent pas. Dans le cas de restauration ou de changement de vocation d’un lieu, beaucoup de sites n’ont pas la chance d’avoir des plans représentatifs de la réalité (par exemple : l’Hôtel de Ville de Québec). Afin d’y remédier, et ainsi valider et corriger l’information, on a recours à un processus de validation qualitative des données.

Dans un contexte de paysage, la numérisation 3D du site du Parc de la Visitation à Montréal visait à produire un relevé des vestiges industriels. Le but était de documenter les éléments de surface et de les combiner avec les relevés bathymétriques sous-marins.

 

LA NUMÉRISATION POUR LA MÉCANIQUE DU BÂTIMENT ET EN CONTEXTE INDUSTRIEL

Les cas où des sites complets d’usines modernes ont été numérisés afin d’en faire un clone numérique
de précision sont nombreux. L’utilisation des relevés par balayage laser en contexte industriel prend de plus en plus de place dans les processus, car ces environnements sont complexes. Les plans de ces espaces sont souvent incomplets étant donné l’unicité du lieu et les transformations, les ajustements et les améliorations réalisées lors de la construction ou par la suite. Le scan et la modélisation de l’existant sont d’autant plus pertinents.

Les besoins de modélisation 3D BIM varient d’un projet à l’autre. Le projet de modélisation d’une salle mécanique d’un bâtiment universitaire est un bel exemple de sélection de niveaux de détail et de précision des composantes. L’accent a été mis dans ce projet sur la tuyauterie et la ventilation, avec un positionnement générique hors tous des appareils mécaniques hors-tout, et des boîtes électriques. Dans un autre projet de réaménagement des structures de garages d’autobus pour un réseau de transport, le défi était lié aux grands espaces et à la complexité des structures à représenter. Tout le processus permet de réaliser les plans et les coupes, et sert de base aux travaux de réaménagement.

 

VERS UNE ARCHÉOLOGIE INDUSTRIELLE NUMÉRIQUE

Parfois, les archéologues sont amenés à documenter les vestiges anciens de processus industriel qu’ils fouillent. Dans ce contexte le scan 3D devient un relevé d’arpentage 3D, géoréférencé au besoin, et qui est utilisé pour la création de documents techniques conventionnels. Il s’utilise aussi pour l’interprétation et le processus de recherche, car il permet la visualisation du site après la fouille, la réalisation d’animation et de reconstitution virtuelle du site. Le projet réalisé avec l’équipe d’Ethnoscop au 50, des Seigneurs à Montréal permet d’illustrer ces différents aspects.

Le projet est un exemple intéressant de documentation des vestiges associés à une série d’industries (Montreal India Rubber, la Canadian Rubber, des ébénistes et la Montreal Woollen Mill), situés à proximité du canal Lachine (Ethnoscop, 2016). La recherche archéologique s’est faite dans le contexte de redéveloppement du site et avait une composante de mise en valeur.

Le scan a permis de relever les vestiges d’un coursier du XIXe siècle servant à amener l’eau du canal Lachine vers l’usine, de l’arbre de couche qui servait de transmission aux machines de la manufacture, de plusieurs cuves de pâtes, et d’un agitateur. Pour illustrer les résultats, une courte animation 3D a été réalisée. Elle est basée sur les scans avec des références à des sources iconographiques qui expliquent les vestiges d’un processus de transformation industrielle ayant évolué dans le temps.

 

UN OUTIL DE DIVERTISSEMENT ET DE MÉDIAS INTERACTIFS

Un autre aspect intéressant du scan 3D est lié aux différentes applications de clones numériques pour des fins de divertissement. On pense ici à des cas de projections vidéo sur des façades ou des surfaces complexes, des jeux d’éclairages comme celui installé sur le pont Jacques-Cartier, l’utilisation d’espace réel pour des jeux vidéo ou pour le cinéma et les effets spéciaux, des applications de la réalité augmentée ou de la réalité virtuelle. Le relevé de l’espace devient dans ce contexte un prétexte à la réalisation d’un environnement virtuel, qui peut être utilisé à la fois à des fins techniques et ludiques.

Les techniques de photogrammétrie sont des outils complémentaires au scan 3D. Certains logiciels récents permettent d’intégrer les points et les images, pour la création de modèles réalistes et précis. Le perfectionnement des outils de saisies et de calculs numériques permet de produire des copies photo-réalistes et à l’échelle. Le résultat peut être utilisé pour générer des images en plan, en élévation, ou encore comme outil de navigation 3D, de simulation et de rendus.

Dans le cadre d’un projet de conservation et de reproduction numérique, le triptyque sculpté sur les murs intérieurs du Grand Théâtre de Québec, par Jordi Bonnet à la fin des années 1960, les murales monumentales ont été scannées et photographiées. La complexité de l’oeuvre vient à la fois de sa taille et des détails qui la composent, en allant du coup de truelle, au grain du béton et de ses textures, aux fissures, avec les gravures et les moulages, ainsi que l’intégration de fragments de mannequins, qui rend la documentation 3D d’autant plus difficile. Cet exemple illustre le processus de documentation photogrammétrique, combiné au scan 3D qui a été utilisé pour documenter l’oeuvre avant les travaux de 2017-2018.

Beaucoup de ces reproductions 3D se retrouvent aussi disponibles gratuitement ou à l’achat sur des sites tels que Sketchfab, Turbosquid et autres similaires. Un exemple de cette application à des fins de diffusion a été réalisé pour le Musée québécois de culture populaire en 2017, comme premier projet du Muséolab. Elle permet de visualiser le mécanisme animé du Marche-à-terre, qui est physiquement
situé dans le hall et est immobile. La copie numérique de ce dernier est donc animée est peut-être manipulé en 3D. Notons également que ces modèles peuvent devenir maquettes physiques par les techniques d’impression 3D et d’usinage.

 

UN OUTIL DE DOCUMENTATION ET DE MISE EN VALEUR IMPORTANT

Les technologies de scans 3D offrent de nombreux avantages et bénéfices pour les professionnels
et gestionnaires de sites. Le relevé est un outil d’aide à la prise de décision dans la transformation d’un lieu afin d’assurer le bon déroulement d’un chantier de construction et d’éviter des erreurs, de même que dans la gestion et la maintenance des immeubles et des infrastructures qui compose nos milieux de vie, pour sa mise en valeur, etc.

Que ce soit pour documenter, représenter ou diffuser des informations patrimoniales, industrielles, architecturales, urbaines ou artistiques, les applications de numérisation 3D ont fait leur place dans le milieu. Le survol réalisé ci-dessus n’est certainement pas exhaustif. Toutefois, la diversité des cas présentés illustre bien les principales applications mises de l’avant sur des cas concrets et le retour important que ces techniques peuvent avoir à différents niveaux (outil précis, économie de coûts, gestion de risques, etc.). Cette expertise en numérisation laser 3D, de même l’accessibilité des outils sur le marché, apportent des solutions concrètes dans la documentation de nos environnements issue du passé, dans leur condition actuelle, pour un passage et un legs pour le futur.

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