Élaboration de règles de conception pour réduire la durée de fabrication des composantes de structures d’acier

Fokwa Soh, Mathieu (2021). Élaboration de règles de conception pour réduire la durée de fabrication des composantes de structures d’acier. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Dans l’industrie de l’Architecture, de l’Ingénierie et de la Construction (AIC – « Architecture Engineering and Construction ». AEC), la non-intégration des connaissances et de l’expérience des entrepreneurs spécialisés (comme les fabricants) pendant la phase de conception contribue à de nombreux gaspillages en termes de qualité, de coût et de délais de construction. Le problème provient du mode de réalisation traditionnel des projets, Conception Contrat, Construction (CCC – « Design Bid Build ». DBB), qui impose une réalisation linéaire et fragmentée, dictée par les plans et devis, et qui n’offre pas aux entrepreneurs spécialisés, l’opportunité de participer à la conception.

Des initiatives comme l’Ingénierie de la Valeur (IV – « Value Engineering ». VE) et la constructibilité ont été proposées pour mitiger ce problème. Ces initiatives, bien que permettant un certain transfert de connaissances entre concepteurs et entrepreneurs spécialisés, se sont principalement concentrées sur la réduction du coût et des risques des projets. De cette façon, le transfert de connaissances est limité et les entrepreneurs spécialisés n’ont guère l’opportunité d’intervenir durant la conception. Dans un deuxième temps, des initiatives se sont concentrées sur le mode d’approvisionnement DBB pour le faire évoluer en favorisant une intégration des connaissances de fabrication dans la phase de conception. Cependant, les solutions proposées ne se questionnent pas vraiment sur l’opportunité de comprendre et de maîtriser les processus comme la fabrication dans le but d’identifier des contraintes à considérer pour la conception. Pourtant, dans les projets de construction dont la structure est en acier, la phase de fabrication des composantes représente de 30 à 40% du coût global des projets.

Dans l’Ingénierie de Développement de Produits (IDP – « Product Development Engineering ». PDE) le transfert de connaissances est formalisé à travers différentes approches et règles de conception telles que la Conception Pour la Fabrication et l’Assemblage (CPFA – « Design For Manufacturing and Assembly ». DFMA). À travers ces règles de conception, les connaissances et l’expérience des fabricants sont disponibles aux concepteurs très tôt dans le développement du produit. De cette façon, les concepteurs peuvent anticiper les contraintes de fabrication et d’assemblage des produits. Une application des règles de conception dans l’industrie de l’AIC peut permettre une meilleure intégration des connaissances et de l’expérience des entrepreneurs spécialisés dès la phase de conception des projets. Cependant, très peu de travaux proposent d’élaborer des règles de conception pour l’industrie de l’AIC.

Cette thèse veut participer à la résolution de ce problème en proposant pour des projets de construction dont la structure est en acier, des règles pour permettre aux concepteurs de considérer les facteurs à fort impact sur la durée de fabrication des composantes de structures en acier.

Pour arriver à cet objectif, cette thèse propose d’identifier des facteurs de fabrication qui serviront par la suite à la formulation des règles de conception. Trois méthodes sont proposées pour identifier ces facteurs à savoir : une méthode qualitative qui utilise le codage ouvert sur les contenus de Requêtes Pour Information (RPI - « Request For Information ». RFI), une méthode quantitative qui applique des algorithmes de l’Apprentissage Machine (AM – « Machine Learning ». ML) sur des modèles de la Modélisation des Données du Bâtiment (MDB – « Building Information Modeling ». BIM), et une méthode qualitative qui applique le codage mixte sur le verbatim des entrevues avec les concepteurs et fabricants de composantes de structure en acier. Pour valider ces méthodes, des cas d’études sont réalisés chez un partenaire industriel, leader dans le domaine de la fabrication des composantes de structures d’acier en Amérique du Nord.

Comme résultats, ce travail propose 20 facteurs de fabrication, dont 15 complètement nouveaux dans la littérature, 33 règles de conception, dont 24 sont des règles complètement nouvelles dans la littérature, et 17 initiatives pour une meilleure considération des facteurs de fabrication pendant la conception des composantes de structures d’acier.

Les résultats issus de cette recherche montrent qu’il est possible d’identifier des facteurs de fabrication de structures d’acier et de formuler des règles de conception à travers des analyses des RFIs, des modèles BIM et des entrevues avec les concepteurs et les fabricants de composantes de structures d’acier. Les résultats montrent aussi que les règles de conception formulées dans cette étude sont différentes des règles déjà présentes dans la littérature, et inspirées de l’industrie manufacturière.

En perspective, ce travail propose d’identifier des facteurs de fabrication et de formuler des règles de conception dans d’autres contextes industriels de projet de construction de structures en acier et dans d’autres professions de l’industrie l’AIC. Cette thèse propose aussi d’appliquer les méthodes développées dans cette étude avec d’autres critères de performance comme la transformation, le flux et la valeur, inspirées de la théorie du Transformation Flow Value (TFV), développées par Koskela (2000).

Titre traduit

Development of design rules to reduce the fabrication duration of steel structure components

Résumé traduit

In the Architecture, Engineering and Construction (AEC) industry, the failure to integrate the knowledge and experience of specialty contractors (such as fabricators) during the design phase contributes to a lot of waste in terms of quality, cost and construction time. The problem stems from the traditional Design Bid Build (DBB) mode of project delivery, which imposes a linear and fragmented delivery, dictated by plans and specifications, and which does not offer trade contractors the opportunity to participate in the design.

Initiatives such as Value Engineering (VE) and constructability have been proposed to mitigate this problem. While allowing for some knowledge transfer between designers and specialty contractors, these initiatives have focused primarily on reducing the cost and risk of projects. In this way, knowledge transfer is limited and specialized contractors have little opportunity to intervene during design. In a second phase, initiatives have focused on the DBB procurement mode to make it evolve by favouring the integration of manufacturing knowledge in the design phase. However, the proposed solutions do not really question the opportunity to understand and control processes such as fabrication in order to identify constraints to consider for the design. However, in construction projects with steel structures, the fabrication phase of the components represents 30 to 40% of the overall project cost.

In Product Development Engineering (PDE), knowledge transfer is formalized through different design approaches and rules such as Design For Manufacturing and Assembly (DFMA). Through these design rules, the knowledge and experience of manufacturers is available to designers very early in the product development. In this way, designers can anticipate product manufacturing and assembly requirements. An application of design rules in the AEC industry can allow for better integration of knowledge and experience of specialized contractors at the design phase of projects. However, there is very little work proposing the development of design rules for the AEC industry.

This thesis aims to contribute to resolving this problem by proposing rules for construction projects with steel structures that allow designers to consider factors that have a strong impact on the fabrication time of steel structure components.

To achieve this objective, this thesis proposes to identify fabrication factors that will be used later to formulate design rules. Three methods are proposed to identify these factors: a qualitative method that uses open coding on the contents of Requests For Information (RFIs), a quantitative method that applies Machine Learning (ML) algorithms on Building Information Modeling (BIM) models, and a qualitative method that applies mixed coding on the verbatim of interviews with designers and fabricators of structural steel components. To validate these methods, case studies are conducted at an industrial partner, a leader in the field of structural steel component fabrication in North America.

As result, this work proposes 20 fabrication factors, 15 of which are completely new in the literature, 33 design rules, 24 of which are completely new in the literature, and 17 initiatives for better consideration of fabrication factors during the design of steel structure components.

This research shows that it is possible to identify steel structure fabrication factors and formulate design rules through analyses of RFIs, BIM models, and interviews with steel structure component designers and manufacturers. The results also show that the design rules formulated in this study are different from the rules already present in the literature and inspired by the manufacturing industry.

In perspective, this work proposes to identify fabrication factors and formulate design rules in other industrial contexts of the structural steel construction industry and in other professions of the AIC industry. This thesis also proposes to apply the methods developed in this study with other performance criteria such as transformation, flow, and value, inspired by the TFV theory developed by Koskela (2000).

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 109-120).
Mots-clés libres:	apprentissage machine, BIM, conception, construction, entrepreneurs spécialisé, entrevues, requête pour information
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Forgues, Daniel
Codirecteur:	Codirecteur Doré, Sylvie
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	26 janv. 2022 15:34
Dernière modification:	26 janv. 2022 15:34
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2859

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