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Les ondulations du bâtiment de remplissage du Musée américain d'histoire naturelle étaient difficiles à former, même en utilisant du béton projeté. Photo de Nadine M. Post/ENR

Il y a près d'une décennie, au début de la conception conceptuelle de l'ajout de 230 000 pieds carrés au Musée américain d'histoire naturelle de Manhattan, des discussions avec des entrepreneurs potentiels ont fait apparaître que le coffrage rigide conventionnel pour les murs porteurs intérieurs ondulés et non répétitifs - conçu en béton pour évoquer un canyon de 80 pieds de haut - serait d'un coût prohibitif et d'un gaspillage.

"Le béton est fluide, mais le coffrage ne l'est pas", a déclaré Jeanne Gang, directrice fondatrice et partenaire de l'architecte concepteur Studio Gang, après un briefing le 26 avril au Richard Gilder Center for Science, Education and Innovation du musée, d'une valeur de 465 millions de dollars, qui doit ouvrir ses portes le 4 mai. "L'obstacle aux courbes est souvent le coffrage", a ajouté Gang.

L'équipe de conception a rapidement trouvé une meilleure façon de façonner les innombrables courbes du hall de l'atrium de six étages. Selon Gang, lors des séances de remue-méninges, l'ingénieur en structure du projet Arup a dit : "Qu'en est-il du béton projeté ?"

Un voyage pour voir les travaux en cours sur les murs en béton projeté arqués du tunnel ferroviaire East Side Access de Manhattan a suivi. Gang a été vendu sur la méthode.

Les murs porteurs de l'atrium du hall, conçus pour évoquer un canyon, présentaient des complexités pour l'équipe de conception et de construction grâce aux formes amorphes.Photo de Nadine M. Post/ENR

"J'ai vu de mes propres yeux" le potentiel des murs en béton projeté pour façonner le canyon, dit-elle, ajoutant que le béton projeté se prêtait également à exprimer la structure du canyon et le "compétence et l'artisanat des personnes qui l'ont construit".

Il n'y a aucun argument que le béton projeté - coulis de béton sous pression pulvérisé sur de l'acier d'armature soutenu par un treillis métallique dense - était une solution plus simple que le coffrage rigide pour les six niveaux de murs porteurs curvilignes défiant toute description qui entourent l'atrium de 468 000 pieds cubes.

Mais l'équipe chargée de réaliser le paysage - avec des ponts de "pierre" non rectilignes traversant le volume à deux niveaux et des "entrées de grottes" amorphes dans le bâtiment conventionnel - s'est retrouvée entre le marteau et l'enclume. Non seulement les parois du canyon sont littéralement hors de la grille, mais il n'y a aucune répétition dans la structure en béton projeté. Il n'y avait pas non plus de précédent pour une structure de béton projeté asymétrique exprimée architecturalement à une telle échelle.

L'équipe a donc tout mis en œuvre, y compris la modélisation 3D de chaque barre dans les murs ondulés ainsi que la modélisation des vastes travaux temporaires nécessaires à la construction.

La structure en béton projeté, fabriquée et construite par COST du Wisconsin dans le cadre d'un contrat d'assistance à la conception, a conduit le projet mais "ce n'était pas facile", explique Carla Sciara, vice-présidente exécutive d'AECOM Tishman, le directeur de la construction. C'était si exigeant que Tishman avait trois employés sur place quotidiennement, simplement pour surveiller l'opération afin d'assurer la qualité.

Le budget initial du projet était de 383 millions de dollars. Le musée attribue l'augmentation des coûts de 82 millions de dollars à l'escalade de la construction, à la résolution des litiges liés à l'empiètement du bâtiment sur le parc environnant et aux impacts du COVID-19, y compris la perturbation de la chaîne d'approvisionnement. Le financement provient de sources municipales, étatiques et privées, y compris du donateur Richard Gilder.

Le bâtiment de 230 000 pieds carrés, conçu par Studio Gang avec Davis Brody Bond comme architecte exécutif, se compose d'un ajout de 190 000 pieds carrés et de 40 000 pieds carrés d'espace rénové de musée existant. Gilder crée 33 connexions à 10 bâtiments de musée existants, dont certains datent de 1874. Cela a supprimé les impasses dans la visite du musée, ce qui améliore la circulation et l'expérience des visiteurs, explique Gang.

Trois bâtiments ont été enlevés pour le projet. Cela a permis à environ 80% de l'ajout d'être situé dans l'empreinte du musée existant. Et cela s'est traduit par une intrusion sur seulement 11 600 pieds carrés du parc Theodore Roosevelt du campus de 18 acres, explique le musée.

Parmi les nouvelles galeries et expositions figurent un insectarium de 5 000 pieds carrés, un vivarium de papillons de 2 500 pieds carrés, un théâtre immersif de 5 800 pieds carrés, un restaurant, une boutique du musée et une bibliothèque et un centre d'apprentissage. Mais l'attention visuelle qui attire l'attention de la conception - et le problème le plus difficile à résoudre pour l'équipe - est le canyon.

Les murs intérieurs en béton projeté de la structure en béton armé, avec des dalles de plancher plates, varient de 6 po à 14 po d'épaisseur. Les murs ont des ouvertures amorphes pour la circulation dans les couloirs et les pièces du bâtiment.

Le périmètre du nouveau bâtiment encastré, à l'exception du mur de béton projeté de l'entrée ouest, comporte des colonnes en béton ordinaires. La structure du mur ouest ondulant, qui supporte des panneaux de granit rose de Milford disposés en diagonale et les fenêtres - avec du verre fritté pour contrecarrer les collisions d'oiseaux - est également en béton projeté mais n'est exposée que sur la face intérieure.

Le béton projeté est souvent utilisé pour les formes courbes car il ne nécessite aucun coffrage rigide. Pour les murs porteurs du Gilder Center, le matériau a été appliqué sous pression sur les barres d'armature courbes. Photo publiée avec l'aimable autorisation de l'AMNH / D. Finnin

Le béton projeté est une méthode rapprochée d'application de béton humide projeté à grande vitesse. Le mélange est pompé à travers un tuyau sur une surface de réception, selon l'American Concrete Institute. L'impact créé par l'application consolide le béton.

Bien que les propriétés durcies du béton projeté soient similaires à celles du béton coulé sur place conventionnel, "la nature du processus de mise en place se traduit par une excellente adhérence avec la plupart des substrats et des capacités rapides ou instantanées, en particulier sur des formes ou des formes complexes", déclare ACI.

Le béton projeté est couramment utilisé pour les formes non rectilignes, telles que les expositions dans les musées, les parcs à thème et les zoos. Le taxidermiste Carl Akeley a inventé la méthode d'application, d'abord appelée gunite, en 1907, quelques années avant de commencer à travailler au Musée américain d'histoire naturelle, selon le musée et les livres d'histoire. La première application était un mélange de plâtre utilisé pour réparer la façade en ruine du Field Museum of Natural History de Chicago.

Le béton projeté dispense des coffrages rigides conventionnels à deux faces. Au lieu de cela, un treillis métallique dense et flexible - qui reste en place après le tournage - sert de toile de fond pour empêcher le béton projeté de se répandre sur la face arrière lorsqu'il est "tiré". Au musée, l'acier d'armature façonne le mur, servant essentiellement de forme.

La conception structurelle des parois du canyon a été compliquée par la nécessité de trouver des chemins de charge vers seulement six points de toucher principaux, grâce à une cour de service existante directement sous le bâtiment. L'analyse des murs porteurs en béton projeté qui forment le canyon montre les deux ponts (au centre du modèle) qui enjambent l'atrium. Modèle d'analyse structurelle des murs du canyon avec l'aimable autorisation d'Arup

Les équipes ont d'abord construit les colonnes périmétriques en béton armé conventionnelles autour de trois côtés du bâtiment, suivies de dalles de plancher plates, également construites de manière conventionnelle, sauf qu'elles s'étendaient temporairement de la structure périmétrique aux cintres avant la mise en place des murs en béton projeté.

Le directeur de la construction a fait modéliser les travaux temporaires en 3D, ce qui n'est pas typique, explique Michelle Roelofs, directrice associée d'Arup. Arup a ensuite superposé le modèle des travaux temporaires sur ses propres modèles 3D pour la structure globale et pour les barres d'armature de la paroi du canyon.

Arup a modélisé chaque pièce d'armature dans les murs du canyon.Modèle d'armature des murs du canyon avec la permission d'Arup

Les travaux du canyon ont éclipsé le projet. Mais il y avait d'autres problèmes. Un obstacle majeur était le site. Le bâtiment, d'environ 250 pi x 200 pi en plan, se trouve sur la cour de service souterraine remplie de services publics actifs et du quai de chargement pour l'ensemble du campus de 18 acres, qui est resté ouvert pendant les quatre années de construction. Tous les systèmes du bâtiment devaient rester opérationnels.

AECOM Tishman savait dès le départ que des travaux manuels délicats, plutôt que des excavatrices et des engins de terrassement, seraient nécessaires dans certaines zones pour atténuer le risque d'endommager les conduites d'égout, les lignes électriques et d'autres services publics. "C'était presque comme si nous faisions du sauvetage plutôt que de la démolition", explique Sciara.

Les conditions du sous-sol liaient également les mains de l'ingénieur en structure, car elles limitaient les emplacements des colonnes du sous-sol du mur du canyon et leurs fondations à six points principaux, explique Roelofs.

Après avoir dessiné à la main les chemins de charge, Arup a exécuté son propre modèle 3D, en utilisant un modèle de géométrie 3D généré par Studio Gang, et l'a converti en modèle d'analyse structurelle. "C'était un push and pull" lors de la conception pour localiser les ouvertures des murs et les ponts du canyon en fonction des besoins programmatiques tout en créant des chemins de charge logiques vers les points de toucher des roues, explique Roelofs. "L'acte de cisaillement de la modélisation était un défi technique", ajoute-t-elle.

La disposition de l'acier d'armature du canyon, qui sert de forme aux contours amorphes, a nécessité l'application d'une géométrie de coordonnées. Beaucoup de barres ont dû être préformées. Les tolérances étaient serrées pour les encastrements muraux à la fois pour recevoir les planchers plats et pour accrocher les panneaux de revêtement extérieur en granit.

COST du Wisconsin a préfabriqué les cages de barres d'armature pour le mur d'entrée ouest de son usine, mais a installé de manière conventionnelle des barres d'armature pour les parois du canyon.

Pour les murs, la première grande étape de chantier a été la mise en place de coffrages verticaux, suivant les contours généraux des futurs murs, pour guider le chemin d'atterrissage des cages d'armatures préfabriquées. Les équipes ont suspendu les formes de tuyaux, qui s'étendaient d'un étage à l'autre, au bas de la dalle au-dessus ou les ont posées sur l'étage en dessous.

Chaque forme de tuyau a été étudiée dans une position exacte. Les tuyaux, espacés de chaque pied ou deux, avaient des entretoises - des écrous filetés soudés, chacun codé par couleur pour l'attribuer à un boulon codé de la même manière sur une cage à barres d'armature.

Les équipes ont fixé le "back splash" en treillis métallique aux entretoises, puis à la barre d'armature, également disposée avec précision pour façonner la géométrie. Chaque bar était individuellement étiqueté et étiqueté pour aller à un certain endroit.

Un lanceur certifié a ensuite suivi avec la couche grise de béton projeté, en commençant par la base. Il n'y avait pas de section pulvérisée typique. La taille variait en fonction de la complexité de la section, de 5 pieds à 20 pieds de longueur, bien que la hauteur d'un ascenseur soit généralement de 8 pieds. La profondeur variait également.

Les panneaux de murs-rideaux sont suspendus à des encastrements dans le béton projeté du mur extérieur incurvé de l'ajout, situé entre les bâtiments existants. Photo publiée avec l'aimable autorisation de l'AMNH

Les travaux sur la couche grise ont commencé à la base et se sont poursuivis jusqu'au sommet du bâtiment. Les équipages ont commencé sur la couche de finition blanche en haut et ont descendu.

La couche grise a été conçue pour supporter le bâtiment dans l'état provisoire, sous les charges de construction, afin que l'étaiement puisse être retiré.

Deux équipes travaillaient sur le béton projeté, explique AECOM Tishman. La barre d'armature devait être enveloppée par un 1/2-in. couverture épaisse de matière grise.

Lors de la construction des deux ponts qui enjambent l'atrium, des poutres d'acier temporaires ont supporté le poids du béton projeté. La séquence de construction du pont était les poutres en acier, les barres d'armature, le béton projeté et l'enlèvement des poutres.

L'opération de béton projeté a été compliquée par le temps froid et la nécessité de chauffer la zone de travail pour que le béton puisse durcir correctement. Les murs structuraux ont mis environ 30 jours à durcir.

Aucun joint de contrôle n'était nécessaire, explique Arup. Mais COST of Wisconsin a dû travailler avec l'architecte sur les joints froids de la couche blanche architecturale, qui ne voulait pas que les joints verticaux ou horizontaux interfèrent avec l'aspect naturel.

COST avait prévu de commencer la construction du mur, y compris les tuyaux, les barres d'armature et la couche grise, du côté nord de l'espace de l'atrium au niveau un et de travailler du côté sud, en se déplaçant à la manière d'un tire-bouchon dans le bâtiment avant de descendre avec la couche de finition blanche. Mais la plupart du temps, le béton projeté a suivi l'installation complexe des barres d'armature, qui a déterminé le calendrier. Les parois du canyon contiennent 453 tonnes de barres d'armature.

Les travailleurs ont accédé à l'espace par une plate-forme temporaire dans le vide de l'atrium, appelée piste de danse, et par d'autres moyens. Chaque tournage était de 5 m3 à 50 m3, selon ce qui était disponible.

La construction générale a commencé au printemps 2019. Auparavant, le musée et AECOM Tishman ont travaillé pendant plus de deux ans pour nettoyer le site et/ou rediriger, si nécessaire, les infrastructures critiques "en direct" de la cour de service du musée.

Les travaux d'excavation et de fondation ont commencé en mai 2019 et se sont terminés en octobre 2020. Mais il y a eu une suspension de la construction pendant environ 4 mois et demi, de la mi-mars à la mi-août 2020, en raison du COVID-19. Il y a eu d'autres retards de COVID-19 dans le projet liés à des lignes d'approvisionnement interrompues, mais aucune de ces constructions n'a complètement suspendu, selon le musée.

Le béton de superstructure conventionnelle, y compris les colonnes périmétriques et les dalles supportées par un tablier temporaire et un étayage dynamique pour les extrémités des dalles avant l'installation du béton projeté structurel, a eu lieu de septembre 2020 à avril 2021.

Les équipes ont ensuite installé les tuyaux et les barres d'armature pour les murs en béton projeté, suivis de la couche structurelle, d'avril 2021 à septembre dernier. Une fois cette opération terminée, les équipes ont retiré l'étayage dynamique des dalles. Ensuite, en travaillant de haut en bas, ils ont abattu la couche de béton projeté blanc, qui a été finie à la truelle.

De novembre 2021 à décembre dernier, les ouvriers ont construit le mur-rideau. En janvier 2021, le bâtiment était fermé et étanche aux intempéries, indique le musée. L'achèvement substantiel a eu lieu le mois dernier, y compris la plupart des travaux d'aménagement.

Dans l'esprit de l'équipe de conception et de construction, bien qu'il y ait eu une myriade de défis, l'opération de béton projeté est imprimée comme la plus difficile. Toutes les contraintes étaient connues au moment de la soumission, dit Sciara d'AECOM Tishman. Elle ajoute : "Nous connaissions les obstacles à l'avance et les avons intégrés au calendrier."

Note de l'éditeur : cet article a été mis à jour le 5 mai.

Nadine M. Post, rédactrice en chef d'ENR pour la conception et la construction de bâtiments, est une journaliste primée avec plus de 40 ans d'expérience couvrant les tendances, les problèmes, les innovations et les projets stimulants liés aux bâtiments. Post a écrit sur de nombreux géants de l'industrie, dont neuf lauréats du prix d'excellence ENR. Et elle a couvert des catastrophes, des échecs et des attaques, y compris l'attentat à la bombe de 1993 et ​​la destruction du World Trade Center en 2001. Un échantillon des histoires de projets de Post comprend le réaménagement du World Trade Center; le Burj Khalifa de 828 mètres de haut ; la salle de concert Disney de Los Angeles ; et Seattle's Experience Music Project, Central Library, Bullitt Center et Rainier Square Tower. En 1985, Post a écrit le livre de McGraw-Hill Restoring the Statue of Liberty (1986) pour les architectes de la restauration - Richard S. Hayden et Thierry W. Despont.