Conception paramétrique et éclairage naturel en architecture – Resumé d’un brevet sur le sujet

Cette publication décrit les éléments intéressants rencontrés à la lecture du brevet  « Système et méthodes pour l’analyse et la conception de structures en architecture à partir d’une analyse paramétrique ».

Contenu du brevet  SYSTEM AND METHOD FOR ANALYZING AND DESIGNING AN ARCHITECTURAL STRUCTURE USING PARAMETRIC ANALYSIS

Ce brevet porte sur l’obtention/la simulation d’une architecture à partir de critères et de normes à satisfaire. Le critère ou la norme sont le résultat souhaité, qui est passé en paramètre de la méthode, pour obtenir en sortie l’architecture possible du bâtiment pour satisfaire ce paramètre.

Paramètres

Dans ce brevet est souligné le fait que définir un paramètre à atteindre (par exemple la consommation d’énergie) peut grandement influencer, perturber un autre paramètre (par exemple la lumière). La solution proposée par ce brevet propose donc de fixer une valeur ou mieux une fourchette de valeurs possibles pour les autres paramètres que le paramètre de premier objectif, afin de laisser plus de possibilités de design répondant aux critères et pour observer également les influences entre paramètres.

La solution proposée comporte également, en plus des paramètres de conception (objectif de consommation, objectif lumineux, …), la possibilité d’informer le système des conditions géographiques autour de l’élément architectural à définir :

  • Climatiques : pouvant varier suivant les saisons, selon le temps (entre aujourd’hui et d’ici 40 ans) et suivant la localisation géographique si on envisage de construire le même bâtiment dans plusieurs régions aux conditions climatiques différentes.
  • Énergétiques
  • Altitude
  • Sources d’énergie ou d’eau disponibles
  • Position et caractéristiques d’un bâtiment voisin
  • Démographie de la région
  • Transports disponibles
  • Zone de construction (sec, risque d’inondation, …)

Certaines de ces informations, telles que la démographie ou les transports, peuvent paraître étranges, cependant ce sont des paramètres à prendre en compte dans un contexte plus général de ville durable, paramètres qui interviennent dans certaines normes environnementales sur les bâtiments.

Solutions et optimisations architecturales proposées

La structure architecturale modifiée en fonction des paramètres  peut comprendre des murs, des plafonds et des ouvertures. Des contraintes peuvent être ajoutées au système pour que celui ne propose pas des solutions irrecevables (par exemple des fenêtres dans un projet de tunnel pour répondre à un critère de luminosité). Un ou plusieurs choix de paramètres de design peuvent entraîner comme proposition de solution :

  • Un changement de la géométrie de l’architecture (murs, plafonds, ouvertures) et ou du nombre de ces éléments architecturaux (un toit remplacé par un puits de lumière par exemple)
  • Un choix différent de matériaux et ou couleur (murs, plafonds, ouvertures)
  • L’ajout ou le changement d’une source d’énergie, chauffage, refroidissement (géothermie, panneaux solaires, …)
  • Une modification de la source en eau (eau de pluie pour une serre par exemple)

Les optimisations les plus souvent réalisées sur un bâtiment portent sur les paramètres suivants:

  • Consommation énergétique
  • Consommation d’eau
  • Utilisation de la lumière du jour
  • Coût de construction (main d’œuvre, matériaux)
  • Coût de maintenance (énergie, eau, entretien)
  • Respect d’une norme architecturale
Méthodes
L’impact d’un paramètre de design sur l’architecture peut être déterminé par une formule qui peut faire intervenir plusieurs paramètres et valeurs  de l’architecture :
  • L’option/paramètre de design (valeur fixe ou fourchette de valeur, par exemple luimière, consommation, …)
  • La géométrie du bâtiment (modifiable dans la limite de certains critères : par exemple fenêtre interdite sur le toit)
  • Les données relatives à l’environnement du projet (peut-être quelque chose de modifiable si l’on recherche l’endroit idéal, en termes de conditions climatiques, pour implémenter un bâtiment)
  • Les propriétés de la structure (matériaux, peintures)
  • Le coût de ce changement (souvent évalué dans le modèle)

La simulation paramétrique est faite à partir de différentes données :

  • Des données géométriques
    • modèle 3D initial d’une architecture : dimensions, position des ouvertures, matériaux, …
  • D’un emplacement géographique (optionnel)
    • Permettant ensuite au système d’obtenir des données sur l’environnement : ensoleillement, pluviométrie, …
  • Des propriétés de performances :
    • objectif du bâtiment : maison, bureau, …
    • taux d’occupation, de quelle heure à quelle heure (un bâtiment occupée reçoit de la chaleur de par ses occupants)
    • lumière dans chaque pièce et distribution de celle-ci au sein de l’architecture et à l’extérieur

Informations complémentaires

Quelques détails pratiques :

  • Le résultat de la simulation peut-être directement fournie sous la forme d’un modèle 3D ou bien sous la forme d’un fichier interprétable par un logiciel de simulation 3D.
  • La simulation peut être faites avec plusieurs paramètres en même temps (et non pas un paramètre à la fois).
  • Le temps nécessaire aux itérations de la simulation est indiquée à l’utilisateur avant de lancer la simulation.
  • Les modifications architecturales induites par le changement d’un paramètre peuvent être contraintes à être restreintes à une zone du bâtiment, et non pas cherchées à modifier l’ensemble architectural.

Ce brevet est accompagné de nombreuses figures :

  • Des schémas expliquant la méthode inverse en architecture utilisée dans leur logiciel (cf. figure ci-dessous), et le détail de certaines des étapes de cette méthode.

 Figure 1 – Principe de l’architecture inverse [1]

  • Des captures d’écran de la solution logicielle
Conclusion sur le brevet

Ce brevet est très intéressant car il montre que le concept de conception inverse en architecture a été étudié et conçu comme un système logiciel complet qui offre de nombreuses possibilités et semble très pratique. Cependant on peut se demander :

  • Quelles sont les méthodes et équations utilisées par le système (seules les équations de calcul classique de coûts sont fournies dans ce brevet) ?
  • Quel est le temps de calcul requis par de telles simulations ?
  • Quelle est la qualité des résultatsobtenus ?
    • C’est-à-dire la correspondance entres les résultats de simulation obtenus et ceux de l’implémentation réelle de l’architecture (même consommation énergétique, même luminosité dans les pièces, …) ?
    • y-a-t-il des données très sensibles sur le modèle (environnement par exemple) qui peuvent induire de grosses erreurs lors de la simulation ?
  • La solution a-t-elle déjà été commercialisée ? (Les captures d’écran disponibles en tant que figure de ce brevet  laissent suggérer que la solution a été implémentée) ou le brevet vise juste à obtenir le monopole sur de futures solutions commercialisables de ce type ?

Après l’étude des brevets, dont la fin est marquée par cette publication, notre travaillera portera sur la recherche de publications et articles scientifiques.

Référence

[1] 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 Vincent 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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