Premier modèle d'habitation éco-durable entièrement imprimé en 3D à partir de terre crue locale, TECLA (nom dérivé des termes "technologie" et "argile") est un prototype de maison qui intègre la recherche, les pratiques de construction vernaculaires, les études climatiques et les principes bioclimatiques.
L'impression 3D est une industrie et une technologie qui n'a fait son entrée que récemment dans le monde de l'architecture. Mais elle l'a fait à un rythme rapide, avec des entreprises du monde entier qui proposent maintenant des services d'impression de bâtiments utilisant une gamme de matériaux, promettant des conceptions uniques et, souvent, l'accès à des pratiques de construction abordables et à faible émission de carbone. Pourtant, des obstacles subsistent, notamment le coût des matériaux et la réécriture des codes de construction régionaux. L'industrie de l'impression 3D a donc encore un peu de chemin à parcourir avant de commencer à résoudre des problèmes tels que l'accessibilité à grande échelle.
"Ce projet n'est pas une solution. C'est une expérience", déclare l'architecte Mario Cucinella à propos de la maison TECLA, le premier modèle d'habitation entièrement imprimé en 3D à partir de terre crue locale. "Mais il faut d'abord admettre qu'il n'existe pas de bâtiment à consommation nette zéro. Ce qu'il veut dire, c'est que tout acte de construction, petit ou grand, a un impact sur l'environnement et nécessite un certain niveau d'énergie non renouvelable : pour extraire les ressources, pour construire et pour entretenir au fil du temps. Même si les architectes ne sont pas en mesure d'atteindre l'objectif "net-zéro", des pratiques comme celle de M. Cucinella visent à s'en approcher.
M. Cucinella a consacré une grande partie de sa carrière à la recherche et à la conception dans ce domaine. Il a fondé son cabinet, Mario Cucinella Architects (MCA), à Paris en 1992. Aujourd'hui, le cabinet est basé à Bologne et à Milan et compte plus de 100 professionnels spécialisés dans la conception de projets qui intègrent des stratégies environnementales innovantes, en s'appuyant sur une unité de recherche et de développement interne. Le bureau collabore en permanence avec la Fondation School of Sustainability (SOS), qui propose des programmes de recherche axés sur les questions environnementales et qui a également été fondée par M. Cucinella.
Construit sur un site dans une commune de Ravenne, en Italie, le prototype de logement TECLA est le résultat d'une collaboration entre MCA, SOS et une tierce partie, World's Advanced Saving Project, ou WASP. WASP est une entreprise pionnière en matière de technologie d'impression 3D qui construit des maisons en matériaux naturels. Le nom de l'entreprise italienne s'inspire de la guêpe potière, une espèce d'insecte qui construit des nids de boue complexes.
TECLA a été conçu comme une réponse aux urgences en matière de logement générées par les migrations massives et les catastrophes naturelles. Il s'agit en partie d'une maison modèle, en partie d'un projet scientifique. Sa structure et sa couleur particulières peuvent être comparées à une ruche, ou peut-être à une citrouille. Quelle que soit sa ressemblance, sa forme est résolument organique. Elle a atteint l'objectif qu'elle s'était fixé, à savoir utiliser des matériaux entièrement locaux pour réduire de manière significative les déchets et l'énergie intrinsèque. Ce faisant, Cucinella a gagné le droit de qualifier TECLA de projet "à émissions presque nulles".
The flexibility of 3D printing
Among the advantages offered by 3D printing is its flexibility in form making. Design and construction parameters for 3D-printing with earth are a function of the material characteristics and its setting speed. “With current 3D printing technologies, it is the material that points the way forward. It is the material that suggests the final morphology of the building,” says Cucinella. In the case of TECLA, the maximum inclination of the domed surfaces, for instance, and the design of its masonry infill, were dictated by the technical behaviors of the mix, its strength, as well as modifications made during curing time. The specific printing technology used informed TECLA’s footprint as well as its need for openings at the center of the domes to remove the printers.
MCA a étudié la forme du bâtiment en fonction du climat et de la latitude. L'enveloppe en forme de dôme est paramétriquement optimisée pour équilibrer trois paramètres liés au climat : la ventilation, assurée par les cavités d'une couche extérieure de terre imprimée ; l'isolation thermique, obtenue en remplissant les cavités intérieures de la terre imprimée avec des balles de riz, un sous-produit industriel ; et la masse thermique, contrôlée par la profondeur des nervures extérieures. Selon les architectes, ces facteurs peuvent être adaptés à différents contextes environnementaux pour assurer le confort intérieur. La composition et la forme de TECLA dépendent donc théoriquement de la situation géographique dans laquelle elle est construite. Dans le cas d'un climat humide, par exemple, la masse thermique augmenterait avec des nervures plus espacées et une couche de ventilation plus épaisse. Dans un climat plus frais, la couche isolante deviendrait dominante.
Une forme "honnête
La conception prend une forme organique, une composition de deux dômes qui, à travers une courbe sinusoïdale sinueuse et ininterrompue, culmine dans deux puits de lumière circulaires. Les architectes ont défini la géométrie et la forme des arêtes extérieures en se basant sur la nécessité de parvenir à un équilibre structurel tant pendant la phase d'impression qu'après l'achèvement des travaux. Cucinella parle d'une "forme honnête, une forme sincère". D'une superficie d'environ 60 mètres carrés, la maison comprend une zone de vie avec une cuisine et une zone de nuit avec une chambre à coucher et des toilettes. Les meubles sont également en partie imprimés en terre locale et intégrés à la structure en terre crue, et en partie conçus pour être recyclés ou réutilisés.
Conception du mélange
MCA a collaboré avec Mapei, l'une des plus grandes entreprises italiennes de matériaux de construction, pour concevoir le mélange d'impression en terre. "Le défi était d'obtenir un matériau combinant des performances techniques telles que la résistance à la compression et la vitesse de prise avec une faible teneur en additifs afin de conserver un sol aussi naturel que possible", selon les architectes.
Le mélange obtenu contient deux additifs chimiques : un faible pourcentage de ciment utilisé pour améliorer les performances structurelles et de durabilité, et un additif développé par Mapei qui permet d'améliorer la résistance et l'étanchéité. Les autres additifs sont naturels : paille de riz, balle de riz et sable siliceux. Le composant principal du mélange est, bien sûr, la terre filtrée qui possède ses propres caractéristiques uniques qui déterminent le système de filtrage, l'équipement de mélange et la conception spécifique du mélange.
Détailler avec de la terre
La fondation de TECLA est la seule partie du prototype entièrement imprimée en béton. "L'impression 3D permet d'optimiser le béton tout en maintenant d'excellents niveaux de résistance structurelle", selon MCA. Il en résulte une conception des fondations qui réduit l'impact sur l'environnement (les fondations sont généralement lourdes en béton et comptent donc parmi les éléments les plus polluants des bâtiments). Les architectes ont conçu une solution pour ancrer les premières couches du dôme aux fondations à l'aide de tuyaux métalliques.
Tous les points de connexion entre les murs imprimés en 3D et les éléments non terrestres, y compris les fenêtres, les portes et les meubles, sont considérés comme des points critiques. "La différence de comportement entre les matériaux doit être étudiée en profondeur afin de prévenir d'éventuels problèmes. Lorsque nous travaillons avec de la terre, nous devons garder à l'esprit que nous travaillons avec un matériau vivant", selon MCA.
En raison de la nature expérimentale du prototype, les propriétés thermiques, structurelles et d'étanchéité n'ont pas fait l'objet d'une certification. Le prototype ne comprend pas d'étanchéité, par exemple, en raison des caractéristiques climatiques pour lesquelles il a été conçu et construit. L'encadrement des fenêtres a toutefois été conçu pour protéger de manière adéquate contre l'intrusion de la pluie et pour maintenir un élément d'échange d'air au sommet du dôme.
Construit à la vitesse
WASP utilisait simultanément deux bras d'impression synchronisés, pilotés par un logiciel capable d'optimiser les mouvements, d'éviter les collisions et d'assurer un fonctionnement rationalisé. Chaque unité d'impression avait une surface d'impression de 50 mètres carrés.
Les imprimantes produisent le mélange à une vitesse qui permet de construire le module d'habitation en quelques jours. Chaque maison TECLA peut être livrée dans les 200 heures suivant l'impression. Le module se compose de 350 couches d'extrusions de terre disposées en bandes de 12 millimètres, ce qui équivaut à quelque 150 kilomètres de matériau imprimé. La maison utilise 60 mètres cubes de matériaux naturels pour une consommation moyenne de moins de 6 kW.
Outre l'impression, le projet a nécessité l'installation d'une poignée d'autres produits. TECLA comprend des portes et des fenêtres fabriquées par Capoferri Serramenti, des accessoires en bois d'Imola Legno et des sièges en carton recyclé d'Officine Tamborrino.
