Enveloppes et structures de bâtiment

Projet de rénovation des coupoles textiles de la Cité des Sciences et de l’Industrie de Paris, et remplacement des oculus verriers par des coussins en ETFE.

Le chantier de remplacement des coupoles textiles et des verrières de la Cité des Sciences et de l’Industrie démarre.

Après plusieurs mois d’études pour affiner les méthodes et concevoir les détails de tous les éléments remplacés, ces travaux exceptionnels, en site exploité, peuvent commencer. Ce sont plus de 2 millions de visiteurs qui circuleront sous nos installations de chantier.

La première étape consiste à installer les échafaudages et les bâches de protection qui nous permettront d’isoler nos travaux du reste du musée, au cœur même de l’édifice.

Ensuite, l’objectif est simple : remplacer les éléments usés par 34 ans de bons et loyaux services, en améliorant les performances thermiques de l’enveloppe, tout en maximisant l’apport de lumière naturel dans le hall du musée. Tout ceci sur une surface de 2000 m².

Dans les pas de Peter Rice et Adrien Fainsilber

« Depuis le hall d’accueil, en levant les yeux, vous découvrez le volume colossal de l’ancienne salle des ventes jusqu’à la toiture. Adrien Fainsilber a créé à l’intérieur de la Cité des sciences et de l’industrie une énorme ouverture après suppression des structures internes du bâtiment existant. La lumière naturelle pénètre ainsi largement à l’intérieur du bâtiment, notamment par deux coupoles de 17 mètres de diamètre. »
Extrait de l’audioguide « Architecture et histoire de la Cité des sciences et de l’industrie », mis à disposition des visiteurs par la Cité des Sciences et de l’Industrie.

Maquette originale de la structure des coupoles | Viry | 1986

La toiture de l’accueil de la Cité des Sciences et de l’Industrie à Paris, formée de deux ouvrages symétriques en toile, acier et verre, est située à l’aplomb du hall central qui dessert l’ensemble des activités du musée. Elle mesure environ 2160 m² en plan. Trois grands éléments composent chacun des deux ouvrages : une tenségrité en acier suspendue au bâtiment, une verrière circulaire portée par la tenségrité et une couverture textile à laquelle la tenségrité sert également d’appui. La couverture textile est formée de deux hyperboloïdes centrés sur les verrières. Ils sont joints entre eux par une forme de selle, constituant ainsi une seule grande surface anticlastique.

Croquis préliminaires du système de sous-tension des coupoles | Peter Rice | Mai 1982

En 1970, la construction de la salle des ventes et d’abattoirs en route depuis plus de dix ans est brutalement arrêtée. Il faudra encore seize ans pour que le bâtiment abandonné à moitié achevé soit reconverti en Cité des Sciences et de l’Industrie, dédiée notamment à la créativité et à l’innovation, comme l’a voulu son premier président, le physicien Maurice Lévy. Dans la transformation du bâtiment par l’architecte Adrien Fainsilber, deux ouvrages singuliers émergent, les serres bioclimatiques qui font face au parc de la Villette et les deux coupoles qui éclairent le hall central, véritable fédérateur du musée.

Les coupoles vues depuis la toiture, avant et projet après travaux | SPAN | 2019

Les coupoles ont été fortement endommagées en 1990, lors d’une tempête qui a soulevé et brisé une partie des verrières. Le projet initial prévoyait la rotation des coupoles pour suivre la course du soleil. Les rayons étaient dirigés dans l’atrium par le biais de miroirs intérieurs eux-mêmes orientables. Ces miroirs, partiellement brisés par la chute des verres des coupoles ont été déposés en 1991. La dimension héliotropique du projet a été oubliée, les coupoles bridées provisoirement en rotation, un filet de protection tendu en sous-face de la coupole, vingt-cinq ans ont passé.

Coupe du projet original d’éclairage naturel via les déflecteurs intégrés aux verrières | RFR | 1983

Aujourd’hui, il a été décidé de rénover les coupoles en préconisant un certain nombre de produits, de dispositions et de travaux. Le traitement de la lumière, naturelle et artificielle, des coupoles est leur raison d’être. Dans le respect des « modèles d’énergie et de lumière », tout à fait en avance sur leur temps, de Peter Rice et de RFR, le maître d’ouvrage a choisi de remplacer les deux toiles initiales par une toile Tensotherm dont la transmission lumineuse est particulièrement intéressante à cet égard, et remplacer les verrières par des membranes gonflables en ETFE.

Vue du projet de rénovation des coupoles et de remplacement des verrières | SPAN | 2020

Un chantier complexe, au dessus de 2 millions de visiteurs

La principale difficulté de ce chantier a été de répondre à cette question : comment remplacer 2000m² de toile qui couvrent l’atrium central d’un musée fréquenté par plus de 2 millions de visiteurs par an, sans jamais fermer l’établissement ?

Pour cela, nous avons mis au point une opération en trois grandes étapes : la rénovation de la coupole ouest, la rénovation de la coupole est, et enfin le remplacement de la toile. Toutes ces étapes nécessitent des méthodes adaptées, entre travail à la corde ou depuis une plateforme suspendue, et livraison de la toile de remplacement par hélicoptère.

La rénovation portera sur les éléments suivants :

Décapage et remise en peinture intumescente de la structure métallique
Dépose des verres et d’une partie de la charpente métallique pour remplacement par des coussins transparents en ETFE
Remplacement du bardage et des exutoires de désenfumage naturel
Remplacement de tous les appareils d’éclairage par des appareils à LED modulables
Installation de moyens d’accès sécurisés pour l’entretien et la maintenance

L’ultime étape consiste à remplacer la toile extérieure en une seule opération, après avoir héliporté la nouvelle toile sur le toit du bâtiment.

Le projet de rénovation

L’enveloppe initiale de l’atrium était composée de deux toiles, intercalées d’un isolant thermique. L’isolant a été déposé en 1991, à la suite de l’endommagement de la toile extérieure lors d’une tempête. Ces deux toiles vont être remplacées par une seule toile, le Tensotherm, constituée d’un sandwich toile/isolant/toile, d’une épaisseur totale inférieure à 10mm. Ce procédé innovant, breveté et produit par Birdair, est le fruit de l’assemblage de deux toiles en fibre de verre avec enduction PTFE, et d’un feutre aérogel de 8mm. Outre sa très grande pérennité, ses relativement bonnes propriétés thermiques (U=1,16 W/m².K), ce produit a été retenu pour sa capacité à diffuser la lumière, avec une transmission lumineuse d’environ 4%.

L’effet sera saisissant, et la lumière qui entrera dans le musée sera beaucoup plus homogène qu’aujourd’hui. Birdair a réalisé une rénovation similaire en 2014, au Talisman Centre de Calgary, en remplaçant la toile PTFE de 1983 par une toile Tensotherm. Le gain de lumière est manifeste.

Le Talisman Centre, rénové par Birdair en 2014, et le parfait exemple du remplacement de toile par du Tensotherm

A la Cité des Sciences, les verrières d’origine étaient couvertes par des verres feuilletés de 1,60 x 1,60m. Après la tempête de 1991, les verres ont été divisés, en ajoutant des profils aluminium intermédiaires, pour obtenir une trame de 0,80 x 0,80 m.

SPAN et Taiyo Europe ont proposé de maximiser la transparence des verrières, en réduisant le nombre de poutres métalliques et en augmentant la portée des éléments de remplissage. La réduction des éléments métalliques ne s’arrête pas à la suppression des profils en aluminium ajoutés en 1991, mais concerne aussi toutes les traverses et la moitié des poutres treillis. Ces adaptations permettront d’installer 5 grands coussins en ETFE à 4 couches. Outre le gain de transparence apporté par la forte réduction des éléments métalliques, les coussins ETFE présentent une transmission lumineuse importante (TL = 0,70), et une isolation thermique deux fois meilleure que la verrière actuelle (Ug = 1,5 W/m².K).

Simulation de l’état avant et après travaux | SPAN | 2020

Le projet alternatif qui ne verra jamais le jour

Au cours des études, SPAN et Taiyo Europe ont développé une solution alternative pour le remplacement des verrières : une lentille formée d’un coussin unique de 16 m de diamètre.

Simulation du projet de lentille avec coussin unique de 16 m de diamètre | SPAN | 2020

Cette solution aurait permis de supprimer l’ensemble des poutres treillis de la structure existante, le coussin ne nécessitant d’ancrage que sur sa périphérie. La forme circulaire des verrières était idéale pour cette solution, car les charges appliquées au coussin sont distribuées sur sa périphérie, reprises facilement par la structure annulaire existante.

La vision vers le ciel aurait été presque directe, le coussin ne nécessitant qu’un réseau de câbles très fin, pour résister aux intempéries en cas de dégonflement accidentel.

A notre grand regret, cette solution n’ayant pas été prévue dans le budget initial de l’opération, le maître d’ouvrage n’a pas souhaité s’engager dans cette voie.