La taille des bâtiments dans le segment de marché commercial, institutionnel et industriel varie de quelques centaines à 45 000 mètres carrés. Tous ces bâtiments ont des exigences en matière d’accès et de sortie du public, même si la densité de leur population peut varier considérablement. Les coûts unitaires sont généralement plus élevés que ceux des logements (bien que ceux des bâtiments industriels simples puissent être inférieurs), et ce type comprend les bâtiments dont le coût unitaire est le plus élevé, comme les hôpitaux et les laboratoires. Les bâtiments résidentiels sont assez statiques dans leur fonction, ne changeant qu’à de longs intervalles. En revanche, la plupart des bâtiments commerciaux, institutionnels et industriels doivent répondre à des changements assez rapides dans leurs fonctions, et un certain degré de flexibilité est requis dans leurs systèmes composants. De plus, ces bâtiments sont construits par des entrepreneurs qui utilisent des équipements mécanisés lourds non seulement pour les fondations (enfonce-pieux et tarières à caissons) mais aussi pour le levage de composants lourds (une grande variété de grues et de palans). Des machines semi-manuelles telles que les finisseurs de ciment, les meuleuses de terrazzo et les générateurs de soudure sont également utilisées, mais un grand pourcentage du travail est effectué manuellement ; la main et le dos humains restent des instruments majeurs de l’industrie de la construction, bien adaptés au caractère non répétitif de la construction.

Fondations

Les fondations de ces bâtiments supportent des charges beaucoup plus lourdes que celles des bâtiments résidentiels. Les charges au sol varient de 450 à 1 500 kilogrammes par mètre carré (100 à 300 livres par pied carré), et tous les types de fondations sont utilisés. On utilise des semelles filantes, ainsi que des fondations sur pieux, qui sont de deux types : portantes et à friction. Un pieu porteur est un dispositif permettant de transmettre la charge du bâtiment à travers une couche de sol trop faible pour supporter la charge vers une couche de sol plus solide située à une certaine distance sous terre ; le pieu agit comme une colonne pour transporter la charge jusqu’à la strate porteuse. Les pieux porteurs solides étaient à l’origine fabriqués en bois, ce qui est rare aujourd’hui ; ils sont plus souvent fabriqués en béton préfabriqué, et parfois des pieux en H en acier sont utilisés. La longueur des pieux peut atteindre un maximum d’environ 60 mètres (200 pieds), mais elle est généralement bien inférieure. Les pieux sont mis en place en les enfonçant dans le sol à l’aide de grands marteaux mécaniques. Des tubes d’acier creux sont également enfoncés, et leur intérieur est excavé et rempli de béton pour former des pieux porteurs ; parfois, le tube est retiré au moment où le béton est coulé. Une alternative au pieu porteur est le caisson. Un trou rond est creusé jusqu’à une strate porteuse à l’aide d’une foreuse et soutenu temporairement par une coque cylindrique en acier. Le trou est ensuite rempli de béton coulé autour d’une cage de barres d’armature ; la coque d’acier peut ou non être laissée en place, en fonction du sol environnant. Le diamètre des caissons varie de un à trois mètres (trois à dix pieds). Le pieu de friction, en bois ou en béton, est enfoncé dans un sol meuble où il n’y a pas de strate plus dure pour le supportage sous le site. La charge du bâtiment est supportée par la friction de surface entre le pieu et le sol.

Lorsque le sol est si mou que même les pieux de friction ne peuvent pas supporter la charge du bâtiment, la dernière option est l’utilisation d’une fondation flottante, faisant du bâtiment un bateau qui obéit au principe d’Archimède – il est soutenu par le poids de la terre déplacée lors de la création de la fondation. Les fondations flottantes consistent en des dalles ou des matelas plats en béton armé ou en des bacs en béton armé dont les parois sont retournées autour du bord du matelas pour créer un plus grand volume.

Si ces bâtiments n’ont pas de sous-sol, dans les climats froids, des murs antigel isolés en béton ou en maçonnerie sont placés sous tous les murs extérieurs non porteurs pour empêcher le gel de s’installer sous les dalles de plancher. Les murs de fondation en béton armé des sous-sols doivent être soigneusement contreventés pour résister aux pressions latérales du sol. Ces murs peuvent être construits dans des excavations, coulés dans des coffrages en bois. Parfois, on crée un mur en enfonçant dans le sol des palplanches métalliques emboîtées les unes dans les autres, en creusant du côté du sous-sol et en coulant un mur en béton contre celui-ci. Des murs de fondation plus profonds peuvent également être construits par la méthode du mur en coulis, dans laquelle une série linéaire de trous en forme de caissons très rapprochés sont successivement forés, remplis de béton et laissés durcir ; les espaces entre les trous sont excavés par des bennes spéciales et également remplis de béton. Pendant les opérations d’excavation et de forage, les trous sont remplis d’une boue liquide à haute densité, qui protège l’excavation contre l’effondrement tout en permettant l’extraction des matériaux excavés. Enfin, le sous-sol est creusé à côté du mur, et le mur est renforcé contre la pression des terres.

Bois d’œuvre

Les structures de ces bâtiments sont le plus souvent des ossatures de différents types, en raison des grandes portées exigées par leurs utilisateurs et du besoin de flexibilité future. Le bois est utilisé, mais à une échelle beaucoup plus réduite que pour les bâtiments résidentiels et principalement dans les régions où le bois est facilement disponible. La nature publique des bâtiments commerciaux et institutionnels et les dangers des bâtiments industriels exigent généralement qu’ils soient construits de manière incombustible, ce qui exclut largement l’utilisation de charpentes légères en bois. Les constructions en bois lourd peuvent être utilisées lorsque les dimensions minimales des éléments dépassent 14 centimètres (5,5 pouces) ; lorsque les bois sont aussi grands, ils sont carbonisés mais ne sont pas consumés dans un incendie et sont considérés comme résistants au feu. Comme la plupart des arbres abattus sont assez petits, il est difficile d’obtenir des bois massifs et lourds, et la plupart des grandes formes sont fabriquées en collant des pièces plus petites. Les colles synthétiques utilisées sont plus résistantes que le bois, et des éléments de section transversale allant jusqu’à 30 × 180 centimètres (12 × 72 pouces) sont fabriqués ; ils peuvent être effilés ou autrement façonnés sur leur longueur. Les squelettes de poutres et de colonnes en lamellé-collé, reliés par des connecteurs métalliques, peuvent avoir une portée de 30 à 35 mètres (100 à 115 pieds). Un lourd platelage composé de planches à rainure et languette d’une épaisseur pouvant atteindre 9,4 centimètres (3,75 pouces) est utilisé entre les poutres pour soutenir les planchers et les toits.

Acier

L’acier est un matériau structurel majeur dans ces bâtiments. C’est un matériau solide et rigide, mais relativement peu coûteux, et il peut être fabriqué et monté rapidement, ce qui permet de gagner du temps de construction. Bien que l’acier soit incombustible, il commence à perdre de sa résistance lorsqu’il est chauffé à plus de 400° C (750° F), et les codes du bâtiment exigent qu’il soit ignifugé dans la plupart des bâtiments à plusieurs étages ; dans les petits bâtiments et les bâtiments à faible risque, cependant, il peut être laissé sans protection.

La quasi-totalité de l’acier de construction – y compris les tôles, les barres rondes ou carrées, les tubes, les cornières, les canaux et les poutres en I ou à ailes larges – est formée par le processus de laminage à chaud. Les panneaux de toiture et de plancher en acier sont fabriqués à partir de tôles par laminage à froid pour obtenir des profils ondulés de quatre à huit centimètres (1,5 à 3 pouces) de profondeur et de 60 centimètres (24 pouces) de largeur. Ils sont généralement soudés aux éléments porteurs en acier et peuvent atteindre une portée de 4,5 mètres (15 pieds). La forme structurelle la plus légère et la plus efficace est la poutrelle à barre (ou poutrelle ajourée), une ferme standard composée de cornières pour les membrures supérieures et inférieures, reliées par soudage à une âme constituée d’une tige pliée continue. Elle est utilisée presque exclusivement pour soutenir les toits et peut atteindre une portée de 45 mètres (150 pieds). Les formes laminées standard sont fréquemment utilisées comme poutres et poteaux, la forme à larges ailes, ou forme W, étant la plus courante. Les ailes largement séparées lui confèrent le meilleur profil pour résister à l’action de flexion des poutres ou à l’action de flambage des colonnes. Les profilés en W sont fabriqués en différentes profondeurs et peuvent atteindre une portée de 30 mètres (100 pieds). Lorsque les poutres en acier supportent des dalles de béton coulées sur un tablier métallique, elles peuvent être conçues pour agir de concert avec le béton, ce qui permet de réaliser des économies considérables sur la taille des poutres.

Les assemblages des formes en acier sont de deux types : ceux réalisés en atelier et ceux réalisés sur le chantier. Les assemblages en atelier sont généralement soudés, tandis que les assemblages sur le chantier sont généralement réalisés avec des boulons, en raison des coûts de main-d’œuvre plus élevés et des difficultés de contrôle de la qualité du soudage sur le chantier. Les colonnes en acier sont reliées aux fondations par des plaques de base soudées aux colonnes et maintenues par des boulons d’ancrage noyés dans le béton. L’érection de charpentes métalliques sur le chantier peut se faire très rapidement, car toutes les pièces peuvent être manipulées par des grues et tous les assemblages boulonnés réalisés rapidement par des ouvriers munis de clés à main.

Une grande partie des structures en acier sont construites sous forme de bâtiments métalliques préfabriqués, généralement destinés à des usages industriels et commerciaux à un étage. Ils sont fabriqués par des entreprises spécialisées dans la fabrication de tels bâtiments à partir d’éléments en acier standard – généralement des plis rigides en acier ou des fermes légères – qui sont assemblés en cadres et recouverts d’un revêtement en tôle ondulée. Les configurations peuvent être adaptées aux besoins des utilisateurs individuels. L’industrie des bâtiments métalliques est un exemple rare d’application réussie des techniques de préfabrication dans le secteur de la construction aux États-Unis, où ses produits sont omniprésents dans le paysage suburbain et rural.

Béton

Le béton armé est également un matériau structurel majeur dans ces bâtiments. En effet, en dehors de l’Amérique du Nord et de l’Europe occidentale, il s’agit du principal matériau de construction industrialisé. Ses composants sont facilement disponibles dans le monde entier à un coût relativement faible. Le ciment Portland est facilement fabriqué en brûlant du schiste et du calcaire ; les agrégats tels que le sable et le calcaire broyé peuvent être obtenus facilement. Les aciéries, qui utilisent la ferraille pour alimenter leurs fours électriques, peuvent produire en masse des barres d’armature pour un usage régional. Dans les pays industrialisés, le mélange et la livraison du béton liquide sur les chantiers ont été mécanisés grâce à l’utilisation de centrales et de camions mélangeurs, ce qui a permis de réduire considérablement son coût. En à peine 100 ans, le béton armé est passé du statut de matériau expérimental à celui de forme la plus répandue de construction de bâtiments.

Il existe deux méthodes de fabrication du béton armé. La première consiste à verser le matériau liquide dans des coffrages sur le site de construction ; c’est ce qu’on appelle le béton in situ. L’autre méthode est celle du béton préfabriqué, dans laquelle les éléments de construction sont fabriqués dans une usine centrale, puis transportés sur le site de construction pour y être assemblés. Les composants du béton sont le ciment portland, les granulats grossiers tels que la pierre concassée, les granulats fins tels que le sable et l’eau. Dans le mélange, l’eau se combine chimiquement avec le ciment pour former une structure de gel qui lie les granulats de pierre entre eux. Lors du dosage du mélange, les granulats sont classés en fonction de leur taille afin de minimiser la matrice de ciment qui les unit. La limite supérieure de la résistance du béton est fixée par celle de la pierre utilisée dans le granulat. La structure du gel de liaison se forme lentement, et la résistance de conception est généralement considérée comme celle qui se produit 28 jours après la prise initiale du mélange. Il y a donc un décalage d’un mois entre le moment où le béton in situ est coulé et le moment où il peut supporter des charges, ce qui peut affecter considérablement les calendriers de construction.

Le béton in situ est utilisé pour les fondations et pour les ossatures structurelles. Dans les bâtiments de faible hauteur, où les charges gravitationnelles verticales sont la principale préoccupation, un certain nombre de systèmes d’ossature sont utilisés pour canaliser le flux de charges à travers les planchers vers les colonnes pour des portées de six à 12 mètres (20 à 40 pieds). Le plus ancien est le système de poutres et de poutrelles, dont la forme est dérivée de la construction en bois et en acier : les dalles reposent sur des poutres, les poutres sur des poutrelles et les poutrelles sur des colonnes selon un schéma régulier. Ce système nécessite des coffrages en bois faits main, et dans les économies où la main-d’œuvre est chère, d’autres systèmes sont employés. L’un d’entre eux est le système de poutrelles à treillis, un système standardisé de poutrelles et de poutres de profondeur constante formé à l’aide de coffrages préfabriqués en tôle. Une version bidirectionnelle des poutrelles, appelée la dalle gaufrée, utilise des dômes creux préfabriqués en tôle pour créer une grille de vides dans une dalle de plancher solide, ce qui permet d’économiser du matériau sans réduire la résistance de la dalle. Le système de plancher le plus simple et le plus économique est la plaque plane, où une dalle de plancher ordinaire d’environ 20 centimètres (8 pouces) d’épaisseur repose sur des colonnes espacées de 6,7 mètres (22 pieds) au maximum. Si la portée est plus grande, l’augmentation de la charge nécessite un épaississement local de la dalle autour des colonnes. Lorsque ces systèmes sont appliqués à des portées supérieures à neuf à douze mètres (30 à 40 pieds), une technique appelée post-tension est souvent utilisée. L’armature en acier prend la forme de câbles métalliques, contenus dans des tubes flexibles coulés dans le béton. Une fois que le béton a pris et acquis sa pleine résistance, les câbles sont tendus en permanence à l’aide de petits vérins hydrauliques et de dispositifs de fixation, ce qui a pour effet de courber l’ensemble du plancher en une légère arche vers le haut. Cela réduit la déflexion, ou l’affaissement, et la fissuration du béton lorsque la charge de service est appliquée et permet d’utiliser des éléments de plancher un peu moins profonds. Les colonnes en béton ont généralement un profil rectangulaire ou circulaire et sont coulées dans des coffrages en contreplaqué ou en métal. L’acier d’armature ne dépasse jamais 8 % de la surface de la section transversale afin d’éviter une rupture fragile catastrophique en cas de surcharge accidentelle.

Les éléments de structure en béton préfabriqué sont fabriqués dans des conditions contrôlées dans une usine. Les éléments qui couvrent les planchers et les toits sont généralement précontraints, une autre technique de précontrainte, dont le principe est similaire à celui de la post-tension. L’armature est à nouveau constituée de fils d’acier, mais les fils sont mis en tension (étirés) sur un cadre fixe, un coffrage est érigé autour des fils tendus et le béton est coulé dedans. Une fois que le béton a pris et acquis sa pleine résistance, les fils sont détachés du cadre. Comme dans le cas de la post-tension, cela donne aux éléments de plancher préfabriqués un léger arc vers le haut, ce qui réduit la déflexion et permet l’utilisation d’éléments moins profonds. Les éléments de plancher préfabriqués précontraints sont fabriqués dans un certain nombre de configurations. Il s’agit notamment de poutres de section rectangulaire, de dalles de plancher creuses de 15 à 30 centimètres (6 à 12 pouces) de profondeur et d’une portée maximale de 18 mètres (60 pieds), et de formes en T à une ou deux tiges d’une profondeur maximale de 1,8 mètre (6 pieds) et d’une portée maximale de 45 mètres (150 pieds). Les colonnes en béton préfabriqué ne sont généralement pas précontraintes et possèdent des tablettes en saillie pour recevoir les éléments de plancher. Sur le site de construction, les éléments préfabriqués sont assemblés par plusieurs méthodes, notamment en soudant des connecteurs métalliques moulés dans les éléments ou en coulant une couche de béton in situ sur les éléments de plancher pour les coller ensemble. La construction préfabriquée précontrainte est largement utilisée, et c’est la forme de construction dominante en Union soviétique et en Europe de l’Est.

La maçonnerie ne trouve qu’un usage structurel limité dans ces bâtiments. Les murs en blocs de béton avec un parement en briques et des ouvertures perforées (fenêtres discrètes entièrement entourées par le matériau de parement) surmontées de linteaux en acier dissimulés peuvent être utilisés comme murs porteurs extérieurs lorsque l’intérieur est une ossature en acier ou en bois. L’utilisation de murs porteurs intérieurs réduit tellement la flexibilité nécessaire dans ces bâtiments qu’on ne les trouve que rarement.

Systèmes de fermeture

Les systèmes de fermeture de ces bâtiments vont de formes assez simples dans les utilisations industrielles à des assemblages assez sophistiqués dans les secteurs commerciaux et institutionnels. La plupart ont en commun l’utilisation de toits plats avec des couvertures très résistantes à l’eau, la traditionnelle étant une membrane construite d’au moins quatre couches de brai de houille et de feutre, souvent lestée d’un ballast de gravier. Ces toits ont des pentes de 1 : 100 à 1 : 50 vers les drains intérieurs. Ces dernières années, la toiture monocouche, constituée de membranes en plastique de différentes compositions chimiques, a trouvé une large application. Les joints entre les morceaux de membrane sont soudés à la chaleur ou au solvant, et ils sont soit lestés avec du gravier, soit fixés mécaniquement au substrat sous-jacent, qui est généralement une mousse isolante rigide. Parfois, des toits en tôle à joint debout sont également utilisés ; la meilleure qualité est l’acier inoxydable soudé en continu.

Le choix des surfaces transparentes dans ces enceintes est basé sur trois considérations majeures : le transfert de chaleur par conduction, le transfert d’énergie radiante et la sécurité. On retrouve tous les matériaux transparents utilisés dans le secteur résidentiel de faible hauteur, plus un certain nombre d’autres. Dans les bâtiments à atmosphère contrôlée, le double vitrage est courant pour réduire le transfert de chaleur et la condensation intérieure et extérieure sur le verre. Les bâtiments commerciaux et institutionnels ont tendance à avoir d’importantes sources internes de gain de chaleur, comme les personnes et l’éclairage, il est donc souhaitable d’exclure au moins une partie du gain solaire à travers les surfaces transparentes afin de réduire la consommation d’énergie pour le refroidissement. Il est donc souhaitable d’exclure au moins une partie des apports solaires à travers les surfaces transparentes afin de réduire la consommation d’énergie pour le refroidissement. On peut également y parvenir en plaquant sous vide des couches réfléchissantes partielles de différentes densités sur la surface intérieure d’un double vitrage, ce qui permet de réfléchir jusqu’à 90 % de l’énergie incidente. Deux types de métaux réfléchissants sont utilisés : l’aluminium, de tonalité argentée, et le rubidium, de tonalité dorée. Ces revêtements sont perçus comme des teintes fortes lorsque l’on regarde le monde extérieur à travers eux pendant la journée : gris pour l’aluminium et vert pour le rubidium.

Les puits de lumière ou les surfaces transparentes horizontales ont trouvé une large application dans ces types de bâtiments. Ces installations vont de l’éclairage naturel purement fonctionnel dans les utilisations industrielles à des formes esthétiques élaborées dans les structures commerciales. Dans les applications horizontales, et dans les parois verticales où des personnes risquent de heurter les panneaux vitrés, un vitrage de sécurité est nécessaire. Il existe quatre types de vitrages de sécurité : certains plastiques qui sont flexibles et difficiles à briser ; le verre armé, qui se maintient lorsqu’il est brisé ; le verre trempé, qui est très résistant et se brise en fragments minuscules et relativement inoffensifs ; et le verre feuilleté, qui consiste en deux couches de verre thermosoudées par un film plastique intermédiaire. Le verre feuilleté peut également être fabriqué avec un film de feuilletage teinté, ce qui permet de produire de nombreuses couleurs qui ne sont pas disponibles dans le verre de couleur intégrale.

Comme beaucoup de ces bâtiments ont une structure squelettique, leurs surfaces verticales sont entourées de murs-rideaux non structuraux qui résistent aux forces du vent et assurent une protection contre les intempéries. Les murs-rideaux sont de plusieurs types ; le plus courant est celui qui est soutenu par une grille métallique (généralement en aluminium) fixée à la structure du bâtiment. Les éléments verticaux, appelés meneaux, sont fixés au bâtiment à chaque étage et sont espacés de 1,5 à 3 mètres (5 à 10 pieds) ; les éléments horizontaux, appelés meneaux, sont fixés entre les meneaux. Les rectangles situés entre la grille de meneaux et de meneaux sont remplis de panneaux transparents ou opaques. Les surfaces transparentes peuvent être n’importe lesquelles de celles qui viennent d’être décrites, et les panneaux opaques comprennent le verre coloré opaque, les feuilles d’aluminium peintes ou anodisées, les feuilles d’acier émaillées de porcelaine, le ciment renforcé de fibre de verre et les galettes de granit, de marbre ou de calcaire taillées avec des outils à pointe de diamant. Tous ces matériaux sont généralement doublés d’une isolation rigide pour ralentir le transfert de chaleur. Les panneaux sandwichs métalliques sont également utilisés pour des raisons d’économie de matériau ; deux fines couches de métal sont séparées par une âme en matériau différent, souvent avec une valeur U élevée pour l’effet isolant. La séparation des fines couches de métal résistant augmente considérablement la rigidité globale du panneau. Les joints entre les panneaux et l’ossature porteuse sont rendus étanches aux intempéries par des mastics élastomères (caoutchoucs synthétiques à prise à froid) ou par des joints en caoutchouc préfabriqués. Dans les zones vitrées des murs-rideaux, les meneaux en verre structurel sont une alternative aux meneaux métalliques ; ils sont plus chers, mais ils donnent un effet de plus grande transparence là où cela est souhaité.

Un autre type de mur-rideau est le type à panneaux. Il n’a pas de grille de meneaux et de meneaux, mais il est constitué de grands panneaux rigides préfabriqués reliés aux étages et s’étendant entre eux, avec des ouvertures transparentes constituées de trous découpés dans le panneau. Les panneaux peuvent être en béton préfabriqué, en aluminium ou en acier, souvent sous forme de sandwichs ; des mastics élastomères sont utilisés pour fermer les joints.

Les finitions des métaux dans les murs-rideaux comprennent l’anodisation de l’aluminium, un processus électrolytique qui transforme l’oxyde naturel incolore de l’aluminium en une épaisse couche adhérente ; il inclut souvent l’introduction de couleur dans la couche d’oxyde elle-même. Des revêtements de peinture durables (dont la durée de vie peut atteindre 40 ans) peuvent être appliqués sur le métal en usine ; des peintures plus conventionnelles qui doivent être renouvelées à intervalles plus courts sont également utilisées.

Finitions intérieures

Cloisons

Les systèmes de division de l’espace dans ces bâtiments utilisent des cloisons en plaques de plâtre, généralement appliquées sur un cadre d’éléments en tôle profilée fixés à la structure du bâtiment. Elles peuvent être facilement démolies et reconstruites à un coût relativement faible, répondant ainsi au besoin de flexibilité de ces bâtiments. Elles sont souvent utilisées pour les enveloppes de protection résistantes au feu, pour lesquelles un certain nombre de couches sont laminées afin d’obtenir la résistance au feu spécifiée. Des cloisons transparentes et translucides sont également utilisées, avec différents types de verre fixés dans des cadres métalliques. Les immeubles de bureaux peuvent contenir des cloisons métalliques mobiles préfabriquées, qui utilisent généralement la construction de panneaux sandwichs métalliques pour créer des panneaux avec des surfaces transparentes et opaques ainsi que des portes. Ces cloisons sont coûteuses par rapport aux plaques de plâtre et doivent être déplacées souvent pour justifier leur coût initial plus élevé. Les blocs de béton sont utilisés dans les espaces non finis et pour les cloisons ignifuges. Les blocs de céramique vitrifiés ou les carreaux de céramique appliqués sur des blocs de béton ou des plaques de plâtre sont utilisés dans les zones humides et là où la propreté est un problème, comme dans les cuisines et les toilettes. Parfois, des murs avec des panneaux de bois ou des placages en pierre sont utilisés pour des raisons esthétiques. Les portes sont généralement fixées dans des cadres en tôle profilée, bien que certains cadres en bois soient utilisés. Les portes elles-mêmes sont généralement constituées de bois massif collé et recouvert de minces placages de bois décoratifs. Les portes en tôle creuse peinte sont utilisées pour les portes extérieures et dans les zones à usage intensif.

Finitions des plafonds

Les finitions de plafond dans ces bâtiments créent un espace sandwich sous le toit ou la dalle de plancher au-dessus, qui dissimule les éléments structurels en saillie, les luminaires encastrés, les conduits de câblage électrique et les gaines de traitement de l’air. Le plafond doit être accessible pour changer ou entretenir les éléments de service situés au-dessus de lui. Le système de plafond le plus courant est composé de panneaux en fibre minérale feutrée humide, peints et perforés sur une face pour l’absorption acoustique. Les panneaux amovibles sont soutenus par une grille de barres en T ou de rails en Z en tôle formée, qui sont suspendus par des câbles à la structure supérieure. Lorsque l’accessibilité n’est pas importante et qu’une finition lisse est souhaitée, des plafonds suspendus en plaques de plâtre peuvent être utilisés.

Finis de plancher

Les revêtements de sol des locaux commerciaux et institutionnels font une large place aux moquettes en fibres synthétiques et aux dalles en vinyle. Dans les zones de circulation intense, on peut utiliser des surfaces plus dures, par exemple des carreaux de pierre taillée en marbre ou en granit, des carreaux de céramique appliqués avec un adhésif époxyde sur le substrat ou du terrazzo. Le terrazzo est fabriqué de deux manières, traditionnelle et à prise mince. Dans la forme traditionnelle, une couche de quatre centimètres (1,5 pouce) de coulis de ciment et de sable est versée sur le substrat ; une grille de bandes de séparation en métal pour contrôler les fissures de retrait est placée sur la surface durcie, et un mélange de coulis de ciment coloré et de copeaux de marbre est versé entre les bandes. Après le durcissement, la surface est polie à la machine pour exposer les éclats de marbre et les séparateurs métalliques. Le terrazzo à prise mince est réalisé en plaçant les bandes métalliques et en versant le liant et les copeaux de marbre directement sur le support, sans la sous-couche de ciment et de sable. Il n’est généralement possible que lorsque des résines époxy sont utilisées à la place des liants en ciment. Le terrazzo est disponible dans de nombreuses couleurs et forme une surface dure, lisse et durable qui se nettoie facilement.

Systèmes de sécurité des personnes

Dans la hiérarchie des éléments intérieurs, les systèmes de sécurité des personnes sont les plus importants pour protéger et évacuer la population du bâtiment en cas d’urgence. Il peut s’agir d’événements qui mettent la vie en danger, comme le feu, la fumée et les tremblements de terre, ou d’événements moins critiques, comme les pannes de courant. Pour faire face à la menace d’incendie et de fumée, il existe un ensemble de systèmes de détection et d’extinction d’incendie. Il s’agit notamment de détecteurs électroniques de chaleur et de fumée qui peuvent activer des dispositifs d’alarme sonore pour avertir la population du bâtiment et prévenir automatiquement les services d’incendie locaux. Pour l’extinction des incendies, il faut prévoir des extincteurs manuels, mais de nombreux bâtiments disposent d’un système de tuyauterie séparé pour fournir l’eau nécessaire à la lutte contre l’incendie. Si les canalisations d’eau publiques ne peuvent pas fournir une pression d’eau suffisante, une pompe électrique est incluse, et il y a également une connexion à l’extérieur du bâtiment pour attacher les pompes portables des camions de pompiers. La tuyauterie se termine par une série de têtes d’extincteurs automatiques situées dans tout le bâtiment, dans le plan du plafond, avec une densité allant de 8 à 18 mètres carrés (90 à 200 pieds carrés) par tête. En général, il y a toujours de l’eau dans les tuyaux (système humide), mais des systèmes secs sont utilisés dans les bâtiments non chauffés ou lorsque des fuites risquent d’endommager le contenu. La tête est ouverte pour pulvériser l’eau par un lien fusible en métal qui fond à une température assez basse lorsque l’air qui l’entoure est chauffé par un incendie. Les systèmes de gicleurs se sont avérés être un moyen très fiable et efficace d’extinction des incendies. La fumée peut être aussi dangereuse que le feu pour les occupants d’un bâtiment, et les mesures de protection comprennent l’arrêt automatique des systèmes de ventilation mécanique et la division du bâtiment en compartiments étanches à la fumée pour empêcher la propagation de celle-ci.

L’évacuation des occupants en cas d’urgence est assurée par un système de sorties protégées menant à l’extérieur ; toutes les zones du bâtiment doivent se trouver à une distance donnée d’une telle sortie, qui varie de 30 à 90 mètres (100 à 300 pieds). Pour les bâtiments d’un étage, la sortie consiste généralement en une simple porte extérieure, mais pour les bâtiments de plusieurs étages, les sorties sont des escaliers fermés qui mènent également à l’extérieur. Les escaliers sont dotés d’une enceinte résistante au feu et sont souvent pressurisés pour exclure la fumée ; leur largeur est déterminée par le nombre maximal prévu d’occupants par étage. Les voies d’accès à la sortie doivent être clairement indiquées par des panneaux de sortie directionnels et lumineux, et un éclairage de secours à piles est requis dans la voie d’accès et dans la sortie elle-même, en cas de panne de courant. Certains bâtiments de ce type, comme les hôpitaux, sont équipés de grands systèmes de génération électrique de secours fonctionnant au diesel ou au gaz naturel, qui fournissent de l’énergie et de l’éclairage aux zones critiques (comme les salles d’opération).

Les exigences en matière de résistance au feu des matériaux de construction constituent un autre élément de la sécurité des personnes dans ces bâtiments. Il s’agit notamment de l’application d’un ciment ignifuge ou d’un isolant sur les charpentes métalliques, de la construction ignifuge des enceintes autour des sorties, de l’indice de propagation des flammes des matériaux de finition tels que les moquettes et les revêtements muraux, et de l’utilisation de matériaux intrinsèquement résistants au feu tels que le béton armé et le bois lourd. L’indice de résistance au feu des différents matériaux et assemblages de construction est établi par des essais de feu en laboratoire.

Transport vertical

Les systèmes de transport vertical dans ces bâtiments bas comprennent des escaliers, parfois seulement ceux qui sont prévus comme sorties de sécurité, mais le plus souvent aussi des escaliers ouverts et bien éclairés. Lorsqu’un grand nombre de personnes doivent être déplacées verticalement sur une courte distance, des escaliers mécaniques, ou escaliers mobiles, actionnés par des moteurs électriques sont souvent prévus. Pour déplacer de plus petits volumes de personnes et de marchandises, on utilise des ascenseurs hydrauliques ; les cabines de ces ascenseurs sont déplacées par un piston tubulaire télescopique situé en dessous, qui est soulevé et abaissé en pompant de l’huile à l’aide d’une pompe électrique. Les ascenseurs hydrauliques se déplacent lentement, mais ils sont les moins chers et conviennent bien aux bâtiments bas.

Plomberie

Les systèmes de plomberie pour l’approvisionnement en eau et l’évacuation des eaux usées sont très similaires à ceux utilisés dans les bâtiments résidentiels, mais les densités de population plus élevées des bâtiments commerciaux, institutionnels et industriels nécessitent des toilettes plus grandes pour l’utilisation publique par plusieurs personnes. Celles-ci comprennent souvent des toilettes à robinetterie sous pression placées dans des cabines cloisonnées et des urinoirs dans les toilettes pour hommes. Certains équipements de chaque salle de toilettes doivent être soigneusement disposés pour faciliter l’accès des personnes handicapées.

Le drainage interne des grands toits plats nécessite un autre système de tuyauterie, similaire à celui des eaux usées sanitaires, pour évacuer les eaux pluviales vers des égouts pluviaux souterrains séparés. Les fortes pluies d’orage peuvent provoquer d’énormes afflux d’eau dans les égouts pluviaux, et parfois cet effet de vague est tempéré par l’utilisation de bassins de rétention des eaux pluviales sur le site de construction ; les eaux de ruissellement du toit et des zones pavées sont temporairement stockées dans ces bassins pendant qu’elles s’écoulent dans l’égout à un rythme plus lent. Les hôpitaux, les laboratoires et les usines ont de nombreux autres types de systèmes de plomberie pour divers gaz et liquides ; ceux-ci nécessitent des matériaux et une construction spéciaux. Les sites des bâtiments commerciaux, institutionnels ou industriels peuvent avoir des réseaux souterrains de tuyauterie d’irrigation qui se terminent par des têtes d’arrosage affleurantes pour arroser le gazon et les plantations.

Contrôle de l’environnement

Les systèmes d’atmosphère des bâtiments industriels sont généralement simples, n’impliquant que le chauffage d’hiver et éventuellement le contrôle de l’humidité si le processus de fabrication y est sensible. Un élément couramment utilisé est l’aérotherme, dans lequel un ventilateur électrique souffle de l’air à travers un serpentin chauffé par de l’eau chaude, de la vapeur, une résistance électrique ou une combustion de gaz et fournit un apport dirigé d’air chaud là où cela est nécessaire. Un autre système consiste en un chauffage par rayonnement utilisant des bobines de résistance électrique soutenues par des réflecteurs ou des tuyaux métalliques continus soutenus par des réflecteurs qui diffusent la chaleur du gaz brûlé à l’intérieur. La ventilation des bâtiments industriels est parfois assurée par des fenêtres ouvrantes, mais le plus souvent par des ventilateurs unitaires, qui pénètrent dans les murs ou les toits et utilisent des ventilateurs électriques pour évacuer l’air intérieur qui est remplacé par de l’air entrant par des grilles ouvrantes.

Les bâtiments commerciaux et institutionnels de faible hauteur ont généralement des atmosphères entièrement contrôlées avec chauffage, refroidissement et humidification. Une méthode économique pour fournir cette atmosphère contrôlée consiste à utiliser des unités mono- ou multizone installées sur le toit. Chaque unité contient un ventilateur électrique pour déplacer l’air conditionné, des éléments de chauffage, qui peuvent être alimentés au gaz ou au fioul ou des serpentins à résistance électrique, des serpentins de refroidissement, qui utilisent le cycle de refroidissement par compression avec un compresseur, des serpentins de refroidissement et des serpentins de condensation pour libérer la chaleur, ainsi qu’une entrée et une sortie d’air frais. Tous ces éléments sont préfabriqués dans une unité fermée rectangulaire qui est simplement posée sur le toit au-dessus d’une ouverture par laquelle elle est connectée aux conduits d’alimentation et d’évacuation. Le flux d’air sur les éléments de chauffage et de refroidissement peut être divisé afin de fournir différents flux d’air conditionné pour desservir différentes zones du bâtiment. L’air conditionné est introduit à volume constant dans des systèmes arborescents de gaines en tôle isolée pour être transmis aux zones desservies. L’air conditionné pénètre dans l’espace occupé par des diffuseurs placés dans le système de plafond et reliés aux gaines par des tubes flexibles en tissu renforcé en spirale. Des thermostats situés dans l’espace détectent les températures et envoient des signaux par électricité ou par flux d’air comprimé à l’unité pour ajuster le chauffage et le refroidissement selon les besoins ; l’humidité relative est maintenue dans une fourchette de 20 à 40 %. Le retour de l’air de l’espace occupé vers l’unité pour le reconditionnement se fait parfois par un arbre inversé de conduits menant à l’unité, mais le plus souvent, dans les bâtiments commerciaux, cela se fait en plaçant tout l’espace sandwich entre le plafond et le plancher structurel au-dessus sous pression négative pour créer ce qu’on appelle un plenum de retour d’air. La pression négative est créée par une ouverture dans le plenum depuis le côté retour de l’unité de toit, et des ouvertures ou des grilles perforées dans le plan du plafond admettent l’air de retour de l’espace occupé. Il est également possible de faire entrer l’air de reprise dans le plénum en passant au-dessus des lampes des appareils d’éclairage fluorescents ; cela permet de récupérer directement la chaleur produite par les lampes, qui peut être recyclée dans l’espace occupé en hiver.

L’unité de toit est utilisée de préférence dans les bâtiments d’un étage ou dans les petits bâtiments à plusieurs étages. Pour les grands bâtiments à plusieurs étages, on utilise des systèmes à atmosphère centralisée. Ces systèmes sont constitués de composants séparés, dont la plupart sont logés dans des salles d’équipement mécanique ou dans des penthouses au niveau du toit. Ces composants comprennent des ventilateurs pour déplacer l’air, des dispositifs d’humidification, des dispositifs de filtrage de l’air et des machines frigorifiques. Lorsque de grandes machines frigorifiques sont utilisées, les serpentins du condensateur qui libèrent la chaleur ne sont plus placés à l’extérieur du bâtiment comme dans les unités résidentielles ou les unités sur le toit, mais sont situés dans une chemise d’eau près du compresseur. Cette eau circule dans un système de tuyauterie pour évacuer la chaleur vers une tour de refroidissement située à l’extérieur du bâtiment où l’eau est pulvérisée dans l’atmosphère et partiellement évaporée pour libérer la chaleur, puis récupérée et renvoyée à une température plus basse dans la chemise du serpentin du condenseur. Les salles d’équipement mécanique pour les systèmes d’atmosphère exigent un minimum de 5 % de la surface au sol dans un bâtiment commercial et peuvent atteindre 20 % dans les hôpitaux et 40 % dans les bâtiments de laboratoire ; si le bâtiment est grand, il peut y avoir plus d’une salle de ventilation avec des machines de réfrigération et des tours de refroidissement centralisées. La distribution de l’air conditionné dans les bâtiments dotés de systèmes d’atmosphère centralisée se fait généralement par le biais d’un arbre de gaines isolées, en utilisant la méthode du volume d’air variable (VAV). Cette méthode permet de fournir de l’air conditionné en quantités variables, selon les besoins, pour maintenir la température souhaitée dans les espaces occupés ; elle permet de réaliser des économies d’énergie considérables par rapport aux méthodes de fourniture d’air à volume constant. Des systèmes d’évacuation distincts sont utilisés pour les zones générant de la chaleur et des odeurs, comme les cuisines, les laboratoires et les toilettes.

Systèmes électriques

Les systèmes électriques de ces bâtiments commencent par un transformateur abaisseur fourni par la compagnie d’électricité et situé à l’intérieur ou à proximité du bâtiment. Le transformateur réduit le potentiel de la ligne standard à deux systèmes à double tension, qui passent ensuite par des interrupteurs principaux et des compteurs électriques pour enregistrer la consommation de l’abonné. Chacune des tensions fournies sert une catégorie d’utilisation distincte ; différents niveaux sont nécessaires pour les lampes à incandescence et les petits appareils, les gros appareils, l’éclairage non incandescent monté au plafond et les machines lourdes. Chaque paire de tensions dispose d’un système de distribution distinct, composé de câbles allant des compteurs et des interrupteurs principaux aux panneaux de disjoncteurs, où il est ensuite divisé en circuits similaires à ceux des utilisations résidentielles. Le câblage à haute tension étant considéré comme dangereux, les interrupteurs contrôlant l’éclairage aérien utilisent des tensions plus faibles, et chaque machine lourde possède son propre interrupteur à fusible. À partir du panneau de disjoncteurs, les conduits et le câblage d’alimentation basse tension sont généralement distribués à travers les cloisons et les espaces sandwich du plafond, mais, dans les grandes zones ouvertes des bâtiments commerciaux, il peut y avoir des chemins de câbles encastrés dans la dalle de plancher. Ces chemins de câbles peuvent être soit des tubes métalliques rectangulaires insérés dans la dalle de béton avant le coulage, soit des cellules fermées d’un tablier en acier formé ; les chemins de câbles sont raccordés aux endroits souhaités pour fournir des prises de courant au niveau du sol.

L’éclairage de ces bâtiments est principalement fluorescent. Les lampes varient en taille et en puissance, et les couleurs disponibles peuvent aller du blanc chaud au blanc froid. Les lampes à incandescence à filament de tungstène sont surtout utilisées pour l’éclairage d’accentuation, car leur efficacité lumineuse est faible. Les lampes à vapeur de mercure et à vapeur d’halogénure métallique ont la même efficacité que les lampes fluorescentes, mais certains types peuvent avoir une durée de vie plus longue. Les lampes à vapeur de sodium à haute pression ont une efficacité encore plus élevée et sont utilisées dans des applications industrielles ; leur couleur orange marquée et leur intensité élevée ont toutefois limité leur utilisation commerciale et institutionnelle. Chacun de ces types de lampes est utilisé dans une variété de luminaires pour produire différentes conditions d’éclairage. Les lampes à incandescence peuvent être placées dans des globes en verre translucide pour obtenir des effets diffus, ou dans des luminaires encastrés au plafond avec divers types de réflecteurs pour éclairer uniformément les murs ou les planchers. Les lampes fluorescentes sont généralement installées dans des luminaires rectangulaires encastrés avec des lentilles prismatiques transparentes, mais il existe de nombreux autres types de luminaires, notamment les corniches indirectes et les plafonds lumineux avec des lampes placées au-dessus de grilles de diffusion suspendues en plastique ou en métal. Les lampes à vapeur de mercure et à vapeur de sodium haute pression sont placées dans des réflecteurs simples dans des espaces industriels à plafond élevé, dans des appareils d’éclairage montés sur poteau pour des applications extérieures sur les parcs de stationnement et les routes, et dans des appareils d’éclairage indirect vers le haut pour des applications commerciales.

Les modèles mathématiques peuvent prédire avec précision les performances de l’éclairage dans la plupart des applications. La méthode de la cavité zonale, qui prend en compte les lampes, les luminaires, la forme de la pièce et les couleurs des surfaces de la pièce, en est un exemple. L’intensité lumineuse se mesure habituellement en bougies-pieds sur une surface horizontale, comme le sol d’une pièce ou un bureau. L’intensité varie de 15 bougies-pieds pour un niveau minimal de lumière ambiante à 70 bougies-pieds pour un bureau ou une salle de classe et à 100-200 bougies-pieds pour des tâches visuelles très précises telles que le dessin ; à titre de comparaison, la lumière directe du soleil à midi est d’environ 1 000 bougies-pieds. Dans la plupart de ces bâtiments, le niveau d’éclairage requis est atteint grâce à des luminaires montés au niveau du plafond ; le fait d’avoir tout l’éclairage au niveau du plafond permet une certaine flexibilité dans l’utilisation des espaces du bâtiment. Mais l’intensité de la lumière varie inversement au carré de la distance de la source ; ainsi, si un appareil d’éclairage donne une intensité de 40 bougies-pieds à une distance d’un mètre, il produira une intensité de 10 bougies-pieds à deux mètres. Par conséquent, des économies d’énergie considérables peuvent être réalisées en ayant un niveau de lumière ambiante minimal (disons 15 bougies-pieds) produit par des luminaires montés au plafond et en fournissant un éclairage de travail près des surfaces de travail où des intensités plus élevées sont nécessaires. L’éclairage naturel par les fenêtres et les puits de lumière est également utilisé dans ces bâtiments, et des modèles mathématiques ont été développés pour prédire avec précision ses performances.

Les systèmes de communication sont de plus en plus importants et complexes dans les bâtiments commerciaux, institutionnels et industriels. Ainsi, les fils de communication pour les téléphones, les systèmes de sonorisation et les données informatiques sont libres d’emprunter de nombreux chemins dans le bâtiment, y compris les colonnes montantes verticales, les espaces sandwich au plafond et les chemins de câbles dans les dalles de plancher semblables à ceux des fils électriques. Lorsque la densité des fils atteint des niveaux très élevés, par exemple dans les salles d’ordinateurs ou lorsque de nombreux petits terminaux informatiques sont installés, des systèmes de plancher surélevé sont utilisés. Des panneaux de plancher amovibles sont montés sur des structures métalliques tubulaires reposant sur la dalle de plancher structurelle, créant ainsi un plénum pour le câblage nécessaire.

Un certain nombre de systèmes du bâtiment sont contrôlés par des ordinateurs ou des microprocesseurs. Dans certains systèmes d’atmosphère, les capteurs intérieurs (tels que les thermostats) et les capteurs extérieurs en L profond fournissent des données à un ordinateur qui ajuste le système pour une dépense énergétique minimale. D’autres exemples incluent les systèmes de sécurité, d’incendie et d’alarme d’urgence.

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