Méthodologie d acquisition d un modèle du Château de Chambord

Méthodologie d acquisition d un modèle du Château de Chambord Xavier Brunetaud Kévin Beck Muzahim Al-Mukhtar Ecole Polytechnique de l Université d Orléans 8 rue Léonard de Vinci, 45072 Orléans, France Centre de Recherche sur la Matière Divisée, CRMD-CNRS, Université d Orléans 1B, rue de la Férollerie 45071 Orléans Cedex 2, France. xavier.brunetaud@univ-orleans.fr ; beck@cnrs-orleans.fr ; muzahim@cnrs-orleans.fr RÉSUMÉ. Le programme de recherche SACRE vise à donner aux gestionnaires de monuments historiques en pierres calcaires un outil rationnel d aide à la décision pour optimiser la planification des restaurations et ainsi maîtriser leur budget. Ce travail concerne la définition de la géométrie de l ouvrage, c est-à-dire la mise au point d un protocole de relevé topographique et de modélisation sous DAO. Grâce à l utilisation d un tachéomètre, la précision et le degré de détail retenus permettent de bien identifier les différentes pierres ainsi que les différentes orientations pouvant être à l origine d une variation de comportement face au vieillissement. Il reste cependant à améliorer l application des photographies à hautes définition sur les surfaces du modèle. ABSTRACT. The research program SACRE aims at giving managers of historic heritage a rational decision support to optimize the planning of restoration and control their budgets. This work concerns the definition of the geometry of the structure, ie the development of a protocol for mapping and CAD modelling. Through the use of a tachometer, the resulting accuracy and detail level can identify the different stones and the different directions that can cause a change in aging behaviour. However, an improvement of the implementation of high-definition pictures on the model s surfaces is still required. MOTS-CLÉS : Pierres calcaires, patrimoine, Chambord, modélisation sous DAO, projet SACRE KEYWORDS: Limestones, heritage, Chambord, CAD modelling, SACRE project 1. Introduction L importance des dépenses correspondant aux interventions de restauration du patrimoine bâti dans le budget d un ouvrage tel que Chambord conduit à ne AUGC 2009 04/18 pages 1 à 14

2 AUGC2009 04/18 considérer que les opérations nécessaires. La nature imprévisible de ces opérations souvent urgentes rend la maîtrise de ce budget très complexe. Pour sortir de cette gestion de l urgence, le Domaine de Chambord, en accord avec l architecte en chef des monuments historiques, se fixe pour objectif de proposer une planification de ces opérations sur 12 ans. Le programme de recherche SACRE (Suivi des Altérations, Caractérisation et Restauration des monuments en pierre calcaire), financé par la région Centre, en partenariat entre le CRMD (Centre de Recherche sur la Matière Divisée), le Domaine National de Chambord, l institut PRISME (Institut Pluridisciplinaire de Recherche en Ingénierie de Systèmes Mécanique et Energétique) et le LRMH (Laboratoire de Recherche sur les Monuments Historiques) vise à donner aux gestionnaires d ouvrages un outil rationnel d aide à la décision pour optimiser la planification des restaurations et ainsi maîtriser leur budget. 1.1 Contexte de l étude C est en 1519 que François 1 er décide se constituer un vaste domaine de chasse, dans une zone marécageuse, au cœur d une forêt particulièrement giboyeuse et à quelques quinze kilomètres de Blois. Chambord, qui signifie passage sur la courbe (du celte cambos-ritos), a dû exister dès l époque gauloise, et représentait alors un habitat établi près d un gué, à la courbe d une rivière. Au début du X ème siècle, les comtes de Blois font construire de nombreuses résidences forestières dont Chambord qui est l une des plus anciennes. François 1 er, qui y fit de courtes haltes en 1519, décide de faire construire un somptueux édifice au lieu et place de Chambord. Léonard de Vinci revient bien souvent dans les nombreux écrits sur les origines du château, sans qu aucun texte ou plan ne le confirme vraiment, mais il n est pas improbable que ses dessins aient inspiré les premiers architectes de Chambord. En effet, le nom de l architecte de Chambord demeure un mystère, et depuis plusieurs siècles, les historiens tentent d apporter de nouvelles hypothèses. Le domaine de Chambord est un vaste marais insalubre à l origine. Les fondations du château ont été l objet de nombreuses interrogations et interprétations. Des textes et des comptes du XVIème siècle, ainsi que des sondages effectués en 1984 par Pierre Lebouteux semblaient conforter l hypothèse de la présence de pilotis en chêne soutenants un radeau de bois sous le soubassement en pierres (Chatenet, 2001). Or des sondages effectués plus récemment lors de la fouille de la cours à partir des années 1999 ont conduit à réviser cette hypothèse, puisque aucun radier ou pilotis en bois n a été retrouvé. En revanche, les fondations se développent sur plusieurs niveaux. Juste au dessus du substrat marneux, à 5,50 m de profondeur par rapport au niveau actuel, on retrouve une maçonnerie de blocs de pierres noyés dans un mortier, l ensemble entouré d un clayonnage en bois. Un mortier jaune recouvre l ensemble. Au dessus se développent des assises de gros blocs, toujours entourés du même mortier. A partir de 2,60 m de profondeur, se développe un autre niveau, qui correspond également à la hauteur des vestiges médiévaux arasés. Enfin, au dessus sont construites des maçonneries de petit appareil régulier et d un mortier

Méthodologie d acquisition d un modèle du Château de Chambord 3 moins grossier et plus oranger. Ces fondations sont continues sur l ensemble du château, ce qui permet d affirmer que l ensemble des différentes parties du château était prévu dès l origine (Bryant et al., 2007). Ensuite se développe l élévation du bâtiment. On sait que le sol n a pas toujours été au même niveau. Ainsi, au XVIème siècle, il était probablement légèrement plus bas que celui que nous connaissons actuellement. On sait aussi que jusqu au début du XXème siècle, le niveau du sol de la cours, était bien plus haut que maintenant, les soubassements en pierre de Pontijou étant totalement enfouis, les premiers parements en tuffeau étant au niveau du sol. Il est cependant difficile de dire à quelle période le niveau du sol a été élevé jusqu au bandeau de tuffeau, peut-être à l époque du roi Stanislas Leczinski (De la Saussaye, 1834). Une grande quantité de tuffeau a été retrouvé dans la cours du château, révélée par les fouilles de 1996. Ce matériau n existant pas à l état naturel sur le site de Chambord, il est probable que la taille de la pierre se faisait sur place une fois les gros blocs importés, les nombreux déchets servant alors de remblais (Aubourg- Josset, Josset, 1996) Sous Louis XIV, deux vagues de travaux sont effectuées. Entre 1664 et 1672, ce sont essentiellement des travaux dans le domaine qui sont effectués. Il fait construire les abords du château, en érigeant le village, l église, en restaurant les murs du parc, etc. Entre 1972 et 1979, le château n est plus entretenu, et les travaux reprennent en 1680, commençants par la remise en état des abords du château. Les travaux effectués par Jules Hardouin-Mansart entre 1681 et 1685 prennent une autre envergure, et ne se limitent pas à des réparations ou restaurations. Il fait construire des écuries à l ouest, des bâtiments dans l avant-cour du château autour de la place d arme. Au niveau du château en lui-même, il termine notamment les toitures de l aile de la chapelle, et fait couvrir d un étage mansardé les ailes Ouest et Sud des parties basses. La duchesse de Berry, fait exécuter des travaux de restauration des terrasses du château selon les plans et devis proposés par M. Pinault et M. de Calonne en 1828. Elle demande à ce que chaque partie du château garde les ornements propres à chaque époque, tout en revenant à l esprit du monument à l époque de François 1er. Son fils, le Comte de Chambord, suit le même dessein. Le régisseur, M. Bourcier, entama en 1830 une grande vague de travaux de restauration, en réhabilitant toutes les maisons du village, et faisant abattre les mansardes de l aile Ouest pour y reconstruire la terrasse d origine. (Merle, 1832). Sous l égide du Duc Robert de Parme commencent alors des travaux de restauration dirigés par Jules Desbois de 1882 à 1894. Les travaux commencent par la cours intérieure extrêmement humide et encombré de gravois qu il faut assainir (Desbois, 1894). Des réparations intérieures et extérieures de menuiserie ou maçonnerie suivent alors, la restauration des maçonneries pulvérulentes de la tour lanterne, constituant l action la plus importante de Jules Desbois et de ses fils qui prennent la suite (Desbois, 1894).

4 AUGC2009 04/18 Au XXème siècle, les restaurations se poursuivent, c est le cas des escaliers François 1er et Henri II, de la couverture des communs d Orléans, de la destruction des mansardes de l aile Sud, etc. A partir du début du XIXème siècle, les restaurations et interventions à Chambord sont bien documentées, répertoriées en trois catégories : le château, le village et les murs du parc, et séparés selon différents corps de métier : maçonnerie, charpente, couverture, serrurerie, plâtrerie, peinture, plomberie, sculpture, terrassement et fournitures. Ces informations sont minutieusement répertoriées dans des devis de restauration conservés aux archives départementales du Loir-et-Cher, de même que les plans qui les accompagnent parfois notamment pour l époque où y travaillaient les Desbois. Les principes de la restauration de l époque étaient bien différents de ceux d aujourd hui. L objectif était de rendre au monument son aspect d origine, en consolidant ce qui était abîmé, en reconstruisant les parties manquantes et en détruisant tous les ajouts modernes qui nuisent à l authenticité du monuments (De la Saussaye, 1834). Aujourd hui, chaque étape de construction a son importance et fait partie de l histoire du monument. La destruction des terrasses très endommagées de l aile Sud a posé plus d interrogations éthiques que lorsque celles de l aile Ouest ont été détruites en 1850. En effet, devait-on restaurer ces mansardes et garder ainsi une trace des vestiges du passé, ou bien les détruire et revenir à un état plus proche de celui d origine? (Paquet, 1937). 1.2 Le projet SACRE Ce projet s appuie sur le projet d établissement du Domaine de Chambord en cours de réalisation dont un des chantiers «travaux et maintenance» permet à l établissement public de récoler les plans et informations indispensables à la vie du Domaine pour préserver son patrimoine. Il constitue également une base de suivi scientifique de la restauration du monument avec un apport d information abondant le schéma directeur récemment établi par l architecte en chef des monuments historiques, pour la programmation des travaux de restauration sur le château selon les critères sanitaires et esthétiques retenus. La création d un outil de gestion original permet à terme d être un prolongement logique à ce schéma directeur. La carte d identité d un édifice constitue un élément décisif pour le gestionnaire d un bien. Les données doivent être précisément documentées, archivées afin d être disponibles plusieurs années après pour d éventuelles interventions futures. La durée de vie des monuments étant importante, il faut organiser cette traçabilité non seulement pour l histoire du monument mais aussi parce qu au cours de la vie d un édifice, les conditions environnementales et climatiques (pollution atmosphériques, modifications anthropiques) peuvent évoluer et se traduire sur une même pierre par une modification de l altération et par conséquent, un changement net des mécanismes d altération mis en jeu. L un des objectifs du programme de recherche

Méthodologie d acquisition d un modèle du Château de Chambord 5 consiste à établir un carnet de santé de l ouvrage permettant de référencer toutes les informations nécessaires à l établissement d un diagnostic détaillé de l état d altération de l ouvrage, de la localisation des dégradations aux conditions météorologiques, en passant par les archives historiques et architecturales. Ce programme de recherche à la fois fondamentale et appliquée se divise en 5 volets : 1. La modélisation sous DAO de l ouvrage consiste à construire un support graphique détaillé pour rassembler toutes les données acquises au long du projet. 2. La réalisation du carnet de santé de l ouvrage permettra de référencer toutes les informations nécessaires à l établissement d un diagnostic détaillé de l état d altération de l ouvrage, de la localisation des dégradations jusqu aux conditions météorologiques, en passant par les archives historiques et architecturales. 3. La simulation et la prédiction des altérations, étape la plus fondamentale, consiste à simuler sous la forme de séquences expérimentales en laboratoire et de modélisation numérique les processus d altérations, afin de comprendre leur évolution et d en estimer les cinétiques. 4. La création d un outil d aide à la décision correspond à l application de la simulation à l ouvrage, pour en estimer la vitesse de dégradation. Ajouté à cela un chiffrage des coûts unitaires, cet outil logiciel permettra de proposer un calendrier rationnel des travaux de restauration. 5. La valorisation du projet auprès du grand public se fera sous une forme vulgarisée du logiciel, présentée lors d une exposition à Chambord. Dans le cadre de cette étude, une première étape consiste à modéliser sous DAO les parties de l ouvrage qui ont été sélectionnées. Cette modélisation consiste à construire un support graphique détaillé pour rassembler toutes les données acquises au long du projet. Dans un premier temps, ce modèle servira de support pour référencer toutes les informations nécessaires à l établissement d un diagnostic détaillé de l état d altération de l ouvrage, de la localisation des dégradations jusqu aux conditions météorologiques, en passant par les archives historiques et architecturales. Toutes les données nécessaires à la description de la géométrie de l ouvrage sont relevées sur site. Ces données géométriques sont complétées par l acquisition de photographies à haute résolution, pour obtenir un modèle 3D dont les surfaces ont l aspect exact des façades de l ouvrage. Cet article présente les études d optimisation qui ont permis d établir les différents protocoles qui assurent l obtention d un résultat fiable et suffisamment détaillé.

6 AUGC2009 04/18 2. La modélisation sous DAO 2.1. Le domaine d étude En décidant de créer un établissement public industriel et commercial spécifiquement chargé de la gestion de l ensemble du Domaine de Chambord depuis le 1er juillet 2005, l Etat a procédé à une réforme qui permet à Chambord de retrouver une cohérence parfois perdue et de mieux valoriser, auprès d un public élargi, un lieu emblématique du génie français participant ainsi à une gestion dynamique d un ensemble patrimonial unique. Le projet SACRE se concentre sur 3 parties identifiées du domaine national de Chambord : l entrée royale (façade sud de l enceinte basse), la tour du Chaudron et les écuries du maréchal de Saxe (cf. figure 1). Ces 3 parties revêtent des intérêts particuliers : La façade sud correspond à la façade d entrée du château. Il est donc essentiel pour l image présentée au public de garder cette façade dans le meilleur état possible. La tour du chaudron a été très peu restaurée et présente un état d altération avancé. Son emplacement, notamment du fait de la proximité des douves et de l exposition aux vents dominants, en fait une zone particulièrement propice au développement d altérations. Les écuries du maréchal de Saxe ont été construites un peu plus tard que le château mais n ont jamais été restaurées. Elles sont aujourd hui principalement à l état de ruines. La datation fiable de ces pierres permet une estimation plus précise des vitesses d altération.

Méthodologie d acquisition d un modèle du Château de Chambord 7 Tour du chaudron N Entrée royale Ecuries du maréchal de Saxe Figure 1. Représentation des points d études au Domaine National de Chambord 2.2. Protocole d acquisition des points Tous les points nécessaires à la définition de la géométrie de l ouvrage sont relevés sur site grâce à un théodolite de marque LEICA. Tous les changements de station topographique ont été réalisés sur la base d une triangulation à 5 points afin de minimiser les erreurs de positionnement. Au final, les dispositions retenues pour le relevé de l ouvrage permet d estimer l incertitude de positionnement à quelques millimètres.

8 AUGC2009 04/18 Figure 2. Ensemble des points obtenus après relevé topographique de la façade sud et de la tour du Chaudron 2.3 Les choix de modélisation La modélisation sous DAO nécessite de simplifier l ouvrage de manière à ne conserver que les points essentiels à sa représentation. Il s agit alors de trouver le bon compromis entre précision des mesures et efficacité du modèle. En effet, les mesures doivent être suffisamment précises et riches de manière à représenter les principales surfaces qui serviront de support pour le carnet de santé (calque d altération, historique, lithologique, environnemental). Cependant, comme ce modèle constitue un document support et non une base de simulation numérique, il doit rester suffisamment simple pour être manipulé de manière efficace, notamment plus l implémentation des calques. Il faut donc réduire le nombre de surfaces le composant au strict nécessaire. Voici en figure 3 et 4 quelques exemples de simplifications adoptées pour la modélisation sous DAO.

Méthodologie d acquisition d un modèle du Château de Chambord 9 Figure 3. Simplifications adoptées pour la représentation des pilastres

10 AUGC2009 04/18 Figure 4. Simplifications adoptées pour la représentation des chapiteaux Dans l objectif de limiter le nombre de facettes composant le modèle, il faut représenter comme une surface plane tout ce qui s y apparente. Il faut donc rendre coplanaires tous les points bordant une même surface. Ainsi, toutes les surfaces comportant plus de 3 points (et donc la totalité des surfaces) font l objet d une correction de la profondeur. Cette correction consiste à retenir un plan médian minimisant l erreur de profondeur et à projeter tous les points sur ce plan. Au final, les points corrigés ne comportent pas d erreur supplémentaire significative dans le plan principal de l ouvrage mais peuvent subir une translation dans la profondeur allant jusqu à quelques centimètres. Pour la plus grande partie des volumes créés, le principe est de retenir un profil par exemple sur le plan (Z ; Y), cf. figure 5, et de l extruder dans la direction orthogonale, ici X. Pour la tour, cette disposition n est pas utilisable puisqu il n existe pas de système de coordonnées orthogonal fixe définissant un plan principal. La tour n étant pas parfaitement circulaire, il n est pas non possible de la générer par révolution. La solution consiste alors à générer une ligne courbe moyenne définissant sa forme directrice (SPLINE sur Autocad ) et de s en servir comme chemin d extrusion (BALAYAGE sur Autocad 2008).

Méthodologie d acquisition d un modèle du Château de Chambord 11 Figure 5. Représentation filaire 3D de l entrée royale et de la tour du Chaudron Figure 6. Représentation volumique de l entrée royale et de la tour du Chaudron 2.4. Photographies à haute résolution La prise de photographies à haute résolution permet de générer l habillage des surfaces créées dans la représentation 3D de l ouvrage. Ces photographies doivent permettre de situer sans ambigüité les différentes pierres afin de constituer un bon support pour tous les autres calques. La solution qui s est imposée consiste à prendre des photographies en utilisant comme dimension principale la hauteur du bâtiment et en fixant la résolution à 10 Mégapixels. Pour limiter les effets de distorsion angulaire au niveau des bords des photographies, la prise de vue est réalisée si possible à environ 110 m de distance de la cible avec un zoom optique de 12x. Cette disposition ne peut être appliquée qu à deux conditions : 1. le temps est suffisamment clair pour ne pas bruiter l image ;

12 AUGC2009 04/18 2. le terrain est suffisamment dégagé (absence d obstacle : bâtiments, arbres, personnes circulant dans le champ de vision). Il faut aussi s assurer que la photographie est prise précisément dans la direction orthogonale à la surface ciblée. Cette condition ne pose pas de problème particulier lorsque la façade est plane (cas de l entrée royale), mais devient assez contraignante dans le cas d une façade courbe (cas de la tour du chaudron). Dans tous les cas, l utilisation des connaissances de base de topographies permettent de définir avec précision les points d implantation des stations. Avant d appliquer les photographies sur les surfaces du modèle 3D de l ouvrage, il faut d abord les assembler. La constitution de la frise peut se faire à partir de n importe quel logiciel de traitement d images, il suffit seulement de prendre quelques précautions sur le choix des repères pour orienter correctement les photographies. En effet, il faut systématiquement redimensionner les images et les faire pivoter avant de les assembler. Ensuite, il reste à identifier sur la frise chaque surface du modèle, à les découper et à les appliquer sur le modèle. En cas de discordance entre les photographies et le modèle, c est le modèle qui est pris en référence ; la surface découpée à partir de la frise est alors redimensionnée. La première des difficultés rencontrées concerne le poids des images manipulées. En effet, le choix de la haute résolution pour les photographies engendre des tailles de frise de l ordre de 400 Mo. Hors, les logiciels habituellement utilisés pour représenter les bâtiments sont plutôt prévus pour utiliser des petites éléments comme motif de texture répétitive plutôt qu une seule photo de grande taille appliquée sur la surface entière. De fait, les temps de calculs de positionnement d image sont très longs et ne permettent pas d envisager de multiples facettes avec des orientations distinctes. L obtention de représentation finale de l ouvrage est donc conditionnée par le choix d un logiciel capable de gérer efficacement l application de photographies haute résolution sur des surfaces à orientations multiples. Une deuxième difficulté concerne la prise des photographies des surfaces orthogonales au plan principal de l ouvrage. Autant les frises permettent de fournir les données nécessaires pour reconstituer les surfaces qui peuvent se projeter sur le plan principal de l ouvrage, autant aucune information ne peut en être tirée concernant les surfaces orthogonales à ce plan. Il est donc nécessaire de réaliser des prises de photographies complémentaires, avec comme principal inconvénient de ne pouvoir presque jamais satisfaire aux bonnes conditions de prises de vues. Les images générées sont donc sujettes à des distorsions angulaires majeures. Heureusement, cette situation ne concerne que de petites surfaces, ayant donc un impact mineur sur la représentation de l ouvrage. 3. Conclusion et perspectives Le projet SACRE dans lequel ce travail s inscrit vise dans un premier temps à produire le carnet de santé d un monument historique en pierres calcaires,

Méthodologie d acquisition d un modèle du Château de Chambord 13 permettant de faire le point sur notre connaissance de l ouvrage : géométrie, nature et âge de la pierre, état d altération, histoire, conditions environnementales. Ce travail concerne plus particulièrement le premier point : la définition de la géométrie de l ouvrage, c est-à-dire la mise au point d un protocole de relevé topographique et de modélisation sous DAO. La modélisation 3D de l entrée royale et de la tour du chaudron atteint les objectifs en termes de précision requise et de représentativité de l ouvrage. Grâce à l utilisation d un tachéomètre, la précision et le degré de détail retenus permettent de bien identifier les différentes pierres ainsi que les différentes orientations pouvant être à l origine d une variation de comportement face au vieillissement. Il reste cependant à améliorer l application des photographies à hautes définition sur les surfaces du modèle, qui pose un double problème : la taille importante des fichiers et la souplesse de traitement de ces images par le logiciel. Ce travail sera suivit dans un premier temps par la modélisation des écuries du maréchal de Saxe, puis dans un deuxième temps par l implémentation dans le modèle des différents calques (altération, historique, lithologique, environnemental) permettant de définir le carnet de santé de l ouvrage. Une première perspective de développement de la méthode consisterait à utiliser un logiciel plus particulièrement adapté à la représentation d objets 3D complexes dont les surfaces supportent des photographies à haute résolution. Une deuxième perspective pourrait consister à utiliser un scanner laser 3D à longue portée pour représenter l ouvrage de manière plus exhaustive. Dans ce cas, le résultat serait un nuage dense de points et non un modèle comportant uniquement les facettes nécessaires à la bonne compréhension de l architecture. En raison de sa complexité, ce modèle ne pourrait servir de supports aux différents calques du carnet de santé, mais pourrait par contre servir de référence précise pour la mesure de l altération des pierres au cours du temps. 4. Remerciements Les auteurs tiennent à remercier Jennifer Rodrigues et Karl Dupe, étudiants en génie civil à l école polytechnique de l université d Orléans, pour leur active participation à la réalisation de cette modélisation 3D de Chambord, ainsi que Sarah Badosa, étudiante en Master Matériaux du Patrimoine dans leur environnement MAPE SGE Paris 12, pour son travail bibliographique sur l histoire des restaurations de Chambord. 5. Références bibliographiques M. Chatenet, 2001, Chambord, Paris, 279 p. S. Bryant, P. Ponsot, D. Hofbauer, J.-S. Caillou, 2007, Le château de Chambord (Loir-et-Cher) Un monument trop (peu) regardé, publication en ligne

14 AUGC2009 04/18 MM. Desbois (Père et Fils), 1894, Notice des travaux de restauration exécutés au château de 1882 à 1894, Paris, 25 p. Aubourg-Josset V., Josset D., 1996, Chambord, le château, rapport d opération de surveillance archéologique du 15/02/1996 au Juin 1996 J.-T. Merle, 1832, Chambord, Paris, 258 p. L de la Saussaye, 1834, Notice sur le domaine de Chambord, Blois, 47 p. Jarry L. 1888, Le château de Chambord, Documents inédits sur la date de sa construction et les noms de ses architectes, Orléans, M. Rautureau, Ouvrage collectif, 2000, Tendre comme la pierre, Monuments en tuffeau, guide pour la restauration et l'entretien, O. Rolland, 1999, «Les châteaux de la Loire malades du plâtre?», in Conservation et Restauration du Patrimoine Culturel, n 6, p. 49-53 P. Paquet, 1937, «La remise en état des communs du château de Chambord», in Les monuments Historiques de la France, p. 121-125