Inauguré en juin 2018, l’Hôtel Morpheus de Macao conçu par l’agence Zaha Hadid Architects est connu dans le monde entier pour son extraordinaire façade. Nous avons utilisé son image pour illustrer la couverture de notre édition print de septembre 2023 de Chantiers magazine qui contient un dossier spécial enveloppe du bâtiment. Mais quels ont été les défis liés à la conception et construction de la façade de l’hôtel Morpheus?
Avec son impressionnant exosquelette, l’hôtel Morpheus est reconnaissable entre tous. L’ingénierie de cette façade hors du commun a été confiée au bureau d’ingénieur britannique BuroHappold actif dans le monde entier.
Morpheus est la cinquième tour du complexe City of Dreams de Macao, une destination de loisirs et de divertissement de premier plan pour les visiteurs nationaux et internationaux. D’une hauteur de 40 étages, cet hôtel de 150 000 m2 comprend 780 chambres, suites et villas de luxe, des magasins, des restaurants, un casino, un spa et une piscine en plein air, ainsi que des salles de réunion et d’événements.
Le challenge
Les architectes de l’agence Zaha Hadid Architectes ont conçu la tour de l’hôtel Morpheus comme un bloc monolithique entouré d’une remarquable enveloppe en acier et en verre. BuroHappold a été désigné pour réaliser cet exosquelette unique, ce qui a nécessité des connaissances techniques et une ingéniosité considérables. Sculptural et spectaculaire, l’exosquelette fournit à la fois une identité distinctive pour la tour et une opportunité d’optimiser les espaces à l’intérieur.
Cet exosquelette complexe a demandé la réalisation de connexions énormes et uniques. Pour beaucoup, cette structure figure parmi les plus grand défi jamais réalisé en matière de construction métallique à grande échelle. Si la forme saisissante et gracieuse de la tour s’est avérée être un défi en soi, la structure devait également résister au climat typhonique de la région.
La solution
Les ingénieurs ont imaginé une structure maillée complexe qui confère du dynamisme à l’extérieur de la tour tout en produisant une esthétique intérieure agréable en réduisant le besoin de support structurel interne, créant ainsi de vastes espaces intérieurs libres de porteurs. L’enveloppe complexe est également visible de l’intérieur du bâtiment, conférant une beauté saisissante au vaste hall d’entrée de 40 mètres de haut et l’inondant de lumière naturelle.
La structure de l’hôtel Morpheus étant loin d’avoir une forme conventionnelle, l’équipe de BuroHappold a rapidement établi que l’analyse par éléments finis était la seule option viable pour déterminer la précision structurelle des liens nécessaires à la réalisation de la géométrie. Parmi les autres défis à relever, citons le revêtement en aluminium de l’hôtel, qui limitait les emplacements disponibles pour les connexions, et le délai de seulement 12 mois pour achever la conception détaillée et la documentation des connexions.
Les ingénieurs ont adopté une approche programmatique sur mesure, qui leur a permis de traiter l’énorme quantité de modèles d’éléments finis nécessaires et, surtout, les visualisations 3D correspondantes de chaque connexion. Cette approche a permis à l’équipe de conception de se concentrer sur la solution technique, plutôt que de traiter manuellement les données de chaque élément. Cette méthodologie unique a amenés les ingénieurs à utiliser les logiciels d’une manière inédite, en travaillant aux limites de leurs capacités pour produire des solutions d’avant-garde et relever le défi dans les délais et les budgets impartis.
30 systèmes de façades différents
La solution hautement technique de BuroHappold intègre plus de 30 systèmes de façade, notamment : panneaux avec vitrage plat ; panneaux avec vitrage à courbe unique ; panneaux collés avec vitrage à facettes ; panneaux vitrés géants de forme libre et triangulés ; et un système de panneaux en aluminium pour le revêtement de la structure.
La compréhension de la géométrie du bâtiment a été essentielle pour le développement de la façade. Dès le départ, l’équipe de conception a travaillé dans un environnement tridimensionnel. Il aurait été impossible de construire ce bâtiment de manière traditionnelle, en utilisant des dessins en 2D, car sa géométrie est unique.
La majeure partie de la modélisation géométrique a été réalisée à l’aide de l’application de CAO Rhino3D et du langage de programmation visuelle Grasshooper pour l’analyse. Un ensemble de paramètres a été défini comme base de la conception. Il s’agissait notamment de s’assurer que les nœuds de l’exosquelette étaient alignés horizontalement avec la poutre de rive du plancher et que les poutres tronquées – qui partent des nœuds à travers la façade pour se connecter aux poutres de plancher qui transfèrent les forces entre l’exosquelette et le noyau de béton de chaque tour – étaient à la fois horizontales et perpendiculaires à la face de la façade.
L’architecte a fourni un modèle filaire de l’exosquelette et une surface de référence définissant la limite extérieure de l’enveloppe vitrée. À partir de ces paramètres, l’équipe a défini un maillage topologique décrivant la surface extérieure de l’enveloppe de la façade. Dans le cadre de ces contraintes géométriques, les concepteurs de façades de BuroHappold ont ensuite déterminé quel système pouvait être utilisé, et à quel endroit, pour soutenir la peau vitrée du bâtiment. L’enveloppe a été décomposée en différentes géométries. En comprenant les limites techniques de chaque système et en rationalisant la géométrie à l’intérieur de ces limites, des zones de vitrage unitaire ont été établies ainsi que des zones semi-unitaire, à éléments uniques et à facettes. L’utilisation du verre plat, du verre à simple courbure et du verre à double courbure a ensuite été rationalisé afin de limiter le nombre d’éléments différents.
Rationalisation
Ainsi, quatre principaux types de façades sont utilisés:
- Le vitrage plat et les panneaux de façades qui couvrent les chambres d’hôtel.
- Vitrage simple courbé soutenu par un système connecté sur les angles du bâtiment
- Vitrage à facettes soutenu par une combinaison de systèmes de façade fixes et à éléments uniques.
- Un système de vitrage triangulé pour la façade entourant les vides de l’atrium (zone de forme libre).
Les parties les plus simples à revêtir ont sans doute été les zones de façade plate qui entourent les deux tours, où se trouvent la majorité des chambres d’hôtel. Ici, c’est un système de façade traditionnel en éléments complets à ossature en aluminium renforcé.
Le verre est ici un double vitrage, généralement d’une épaisseur de 12 mm avec un espace de 16 mm, doté d’un contrôle solaire et performances de haut niveau. Il a été choisi pour limiter les apports solaires dans les pièces tout en offrant la même cohérence visuelle, qu’il soit plat, bombé, à simple ou double vitrage. Tous les verres proviennent du même fabricant et ont le même revêtement à faible émissivité. D’un côté de la tour, les unités à double vitrage sont traitées acoustiquement et le verre intérieur et extérieur est laminé avec une couche intermédiaire de polyvinyle butyral (PVB) pour protéger des nuisances sonores extérieures.
Avant de pouvoir poser la façade de l’hôtel Morpheus, il fallait installer l’exosquelette structurel du bâtiment, ce qui signifiait qu’une installation conventionnelle, depuis l’extérieur, ne pouvait pas être utilisée. BuroHappold a donc conçu un système qui pouvait être mis en place par des opérateurs travaillant sur les plaques de sol. Les panneaux d’allège opaques ont d’abord été fixés sur les bords des dalles de plancher, puis les panneaux de vision ont été fixés entre les panneaux d’allège depuis l’intérieur du bâtiment.
Même sur les parties plates de la façade où est utilisé un système de façade plus traditionnel, le choix est fait de diviser l’élément en deux, panneaux d’allège et de vision, afin de pouvoir l’installer depuis l’intérieur du bâtiment. Cela permet de remplacer n’importe quel panneau vitré depuis l’intérieur du bâtiment en cas de bris. Le vitrage simple courbé est utilisé dans les unités qui s’enroulent autour des angles des tours.
Il n’y a pas de dalles de plancher sur lesquelles fixer la façade dans la zone centrale du bâtiment, où les ponts aériens entourent les vides centraux – la zone de « forme libre ». La façade doit être ici fixée à l’exosquelette. Bien qu’il apparaisse comme une masse d’acier tordue, l’exosquelette a été très soigneusement rationalisé, de sorte que chaque élément structurel est plan et formé d’un seul acier courbé. Tous les nœuds reliant les aciers sont également plats, de sorte qu’ils peuvent être fabriqués à partir de plaques d’acier.
Chacun des 242 panneaux vitrés de la zone de forme libre est unique par sa forme et sa taille. Alors que la géométrie de la façade plane entourant les tours est définie par l’espacement vertical des dalles de plancher, la géométrie de la façade de la zone de forme libre est basée sur l’espacement tridimensionnel des nœuds de l’exosquelette. À chaque étape de la conception, architectes et ingénieurs essaient de rationaliser le design autant que possible, mais dans la zone de forme libre, c’était impossible, car chaque panneau est unique, et a donc dû être conçu sur mesure.
Macro-panneaux
Les nœuds de cette zone sont espacés de 20 mètres, ce qui signifie que les panneaux de façade vitrés en forme de diamant qu’ils supportent mesurent jusqu’à 20 mètres de large et 10 mètres de haut. Ces « macro-panneaux » sont constitués d’éléments vitrés plus petits, encadrés et plats, qui sont combinés pour former de grands éléments de façade incurvés. Cela permet d’utiliser le même système pour habiller les parties inclinées vers l’intérieur et vers l’extérieur des murs et du toit. En raison des longues portées et des charges élevées, les cadres des macropanneaux sont formés à l’aide de sections de plaques en acier massif. Leur profondeur et leur largeur varient en fonction des besoins, afin de minimiser le tonnage total d’acier.
Les panneaux ont été fabriqués en une seule pièce en usine, puis découpés pour permettre le transport et le levage sur le site, avant d’être boulonnés ensemble. Il s’agissait de s’assurer que les tolérances complexes s’alignent dans l’espace tridimensionnel. Les panneaux ne sont jamais soutenus que par un seul point nodal de l’exosquelette, les autres nœuds permettant l’expansion et le mouvement.
La façade de l’hôtel Morpheus devait être conçue pour s’adapter aux mouvements et aux torsions de l’exosquelette au fur et à mesure de l’avancement de la construction et de l’augmentation de la charge. Les mouvements sont pris en compte par un grand joint flexible entre chaque macro-panneau dans la zone de forme libre. Les ingénieurs structurels de BuroHappold ont effectué des analyses approfondies pour comprendre comment l’exosquelette se déplacerait tout au long de la construction.
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