Conception paramétrique et éclairage naturel en architecture – Méthode classique et état de l’art sur les brevets

Cette publication porte, après une petite introduction ludique pour bien comprendre les enjeux du sujet, sur la  description de la méthode classique de conception de l’éclairage d’un bâtiment, à savoir par simulation 3D d’une architecture puis simulation d’un éclairage et itération sur la simulation 3D de l’architecture jusqu’à obtenir l’ambiance lumineuse voulue. Bien comprendre la méthode classique/directe de simulation de l’éclairage à partir d’une architecture donnée peut aider à déterminer les paramètres et les méthodes à utiliser pour inverser cette méthode, à savoir choisir un éclairage et simuler une architecture ou des architectures possibles remplissant cette condition d’éclairage.

La seconde partie de cette publication présente et recense les brevets récents rencontrés dans la recherche et le développement de solutions permettant une approche inverse de l’éclairage naturel en architecture : déterminer le bâtiment à partir d’une intention lumineuse.

Rappel ludique des enjeux du sujet

Pour rappeler de manière originale les éléments importants à considérer quand on envisage d’optimiser la lumière en architecture, une vidéo  de la chaine BBC, British Broadcasting Corporation, http://www.youtube.com/watch?v=tfK_FF-4aDI [1] sur les règles de design concernant la lumière. Quelques aspects intéressants à retenir de cette vidéo :

  • Importance de la lumière naturelle
  • Nombreux facteurs influençant l’ambiance lumineuse :
    • Couleurs
    • Matériaux
    • Textures
    • Emplacement des meubles

Pour  insister un peu plus sur l’importance de la lumière, et plus spécialement de la lumière naturelle dans nos vies, une citation : « Notre corps est conçu pour vivre en pleine nature, à la lumière du jour, au rythme des saisons et donc de la durée et de la qualité de cette lumière du jour. La vie moderne nous a éloigné de ces fondamentaux. Il faut donc tendre à reconstituer artificiellement les conditions ou accepter d’en subir les conséquences. » [2]

La méthode classique de détermination de l’éclairage

Pour mieux comprendre les techniques de simulation inverse de l’éclairage, il nous a paru intéressant de bien  connaitre tout d’abord le fonctionnement de la méthode directe de simulation. La méthode directe est actuellement utilisée en boucle d’essais-tests : on conçoit une architecture, on constate que la lumière n’est pas conforme aux attentes et on raffine l’architecture jusqu’à obtenir le résultat souhaité.

Pour faciliter la visualisation des résultats trouvées on simule les essaies sur des logiciels spécialisés dans ce type de calculs, ainsi il sera plus facile de comparer les résultats et de prendre les décisions adéquates depuis les premières étapes de finalisations.

De nombreux logiciels permettent à partir d’un bâtiment  (ouvertures, couleurs, …) et d’un environnement donnés (ensoleillement, bâtiment voisin, …) de visualiser la lumière obtenue à l’intérieur du bâtiment. Parmi ces logiciels on peut citer :

  • Sweetlight
  • Lightjockey
  • Lightsolve.

On trouve également le logiciel DIALux 4.11 et la deuxième version DIALux evo2, lancé par l’institut ‘für Angewandte Lichttechnik’.C’est un logiciel gratuit d’études d’éclairage destiné au calcul de la quantité de lumière et à la visualisation de la planification d’éclairage. [3]

Parmi les fonctionnalités qu’il offre on trouve :

  • La manipulation de la position des sources d’éclairage ainsi que l’intensité lumineuse
  • Calculs d’optimisation
  • Réalisation d’une analyse quantitative, simple et rapide de la quantité d’éclairage

Il permet  également de planifier avec les luminaires proposés par les grands fabricants mondiaux, et prend en considération certains facteurs qui influence directement ou implicitement la quantité de lumière acquise à l’intérieur du bâtiment ; exemple : le facteur de réflexion du verre.

Le logiciel de simulation utilise le fichier de distribution des intensités du luminaire pour calculer la quantité de lumière émise, on parle du fichier photométrique. Ces fichiers sont généralement sous le format IESNA, et le format Eulumdat en Europe.

L’efficacité d’un logiciel se résume dans sa capacité d’interpoler toutes les intensités existantes.Ainsi qu’une valeur de la photométrie calculée qui soit le plus proche possible de la photométrie réelle du luminaire utilisée. [4]

Figure 1 – Aperçu de l’interface du logiciel DIALuxEVO [4]

Exemple concret de simulation de luminaire :

Les calculs sont différents selon le type de la source lumineuse, la surface à éclairer et d’autres facteurs. On prend l’exemple d’une surface horizontale éclairé par une source de lumière ponctuelle. [5]  L’éclairement total est calculé suivant cette formule :

   E = Iox cos θ / d²

Avec:    E = Eclairement direct en un point X.

θ = Angle d’incidence du flux arrivant sur le point X et provenant de la source O.

d = Distance entre le point X et provenant de la source O.

Iox =  Intensité de la source ponctuelle O dans la direction du point X.

Sachant que  Iox   est calculée en fonction de la position du point x par rapport à la source : Iox = I0.cosϕ = I0.cosθ

Figure 2– Calcul de l’éclairement direct d’une source ponctuelle [5]

Les brevets

Dans la partie précédente nous avons pu voir qu’il existe sur le marché de nombreux logiciels de simulation 3D permettant de montrer la lumière résultante d’un objet et d’une configuration. En revanche les logiciels qui font le contraire, c’est-à-dire simuler un objet (pièce d’un bâtiment par exemple) à partir d’une lumière donnée souhaitée n’existent pas encore. C’est actuellement un sujet de recherche (et le sujet de cette veille technologique) qui intéresse beaucoup les architectes et ingénieurs dans un souci d’optimisation et d’efficacité (inconvénient résultant d’une méthode expérimentale itérative manuelle).

Cet intérêt pour ce sujet de recherche que sont actuellement les méthodes inverses ou paramétriques appliquées à la lumière pour la conception architecturale, peut se constater au travers  des travaux réalisés dans le domaine et publiés via des brevets.  Ci-dessous une courte présentation bibliographique des brevets scientifiques récents sur la conception paramétrique/inverse architecturale appliquée à l’éclairage naturel.

  • SYSTEM AND METHOD FOR ANALYZING AND DESIGNING AN ARCHITECTURAL STRUCTURE USING PARAMETRIC ANALYSIS, Sefaira Inc, 08/2013  [6]
    Brevet portant sur l’obtention, la simulation d’une architecture à partir de critères écologiques et de normes (potentiellement d’éclairage) à satisfaire. Brevet accompagné d’un schéma illustrant bien le concept de la méthode inverse en architecture :

Figure 3 – Principe de l’architecture inverse [6]

Ces brevets ont pour l’instant seulement été parcourus et méritent une lecture plus approfondie. Ils feront sans doute pour certains l’objet de publications individuelles pour présenter les méthodes utilisées et les avantages, limites et applications de celles-ci. Après avoir étudié en détail les brevets, l’étude des publications d’articles scientifiques sur le sujet  sera réalisée.

Références

[1] vidéo  de la chaine BBC, British Broadcasting Corporation sur les règles de design concernant la lumière, 2011 : http://www.youtube.com/watch?v=tfK_FF-4aDI

[2] Luminaires d’éclairage général lumière du jour ; http://www.degrek.com/degre-k/eclairage-design/

[3] Manuel DIALux (DIALux Manual), Verison 4.9, 2011 http://www.dial.de/DIAL/fr/home.html?no_cache=1

[4] Présentation de l’interface du logiciel DIALuxhttp://blog.lightingvanguard.com/2012/04/new-dialux-evo-review-with-screenshoots.html

[5]La simulation numerique de l’éclairage, limites et potentialités, thèse de Fawaz Maamari 2004, http://theses.insa-lyon.fr/publication/2004ISAL0016/these.pdf

[6] SYSTEM AND METHOD FOR ANALYZING AND DESIGNING AN ARCHITECTURAL STRUCTURE USING PARAMETRIC ANALYSIS, Sefaira Inc, 08/2013  http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?CC=WO&NR=2013119389A1&KC=A1&FT=D&ND=3&date=20130815&DB=EPODOC&locale=fr_FR

Auteurs : KHLIF Wafa et POUCHOULIN Audrey
Sous l’encadrement de Vicent Tourre.

Licence:

Licence Creative Commons

“Projet de veille technologique 2013 – Conception paramétriqe et éclairage naturel en architecture” est mise à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons – Pas d’Utilisation Commerciale – Partage dans les Mêmes Conditions 3.0 non transposé par KHLIF Wafa et POUCHOULIN Audrey

 

 

 

 

 

 

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