Conception paramétrique et éclairage naturel en architecture – Outils logiciels de simulation inverse de la lumière

Après avoir fait un bilan des recherches ayant abouties à des brevets, puis des nouvelles méthodes actuellement à l’étude et qui font l’objet de publication scientifiques, nous nous attachons dans cette publication à faire un état de l’art des logiciels existants pour répondre au besoin architectural de conception inverse de la lumière.

1 – Démarche inverse  d’un  logiciel de simulation inverse de lumière

Présenté comme les phases d’un « modeleur interactif déclaratif » dans le document [1], voici ci-après le détail des 3 grandes phases dans un processus de conception inverse de la lumière :

Figure 1 – Principe de la simulation d’éclairage inverse

  • Description et déclaration des intentions en langage de conception interprétable par la machine
  • Génération des solutions répondant à la description
    • Réduction de l’espace des solutions
    • Exploration des solutions
    • Possibilités
      • Calcul
      • Intelligence artificielle [4]
        • Algorithme génétique
        • Apprentissage automatique
        • Logique floue
        • Programmation par contraintes
        • Prise de connaissance des solutions
          • Généralement graphiques, pouvant être présentées avec différents rendus, dont celui le plus économe énergétiquement, celui ayant le plus de lumière naturelle, celui le moins coûteux, …
          • Bon de connaitre avec les solutions quelques propriétés de la solution proposée : symétries, valeurs dans les fourchettes de paramètres initiaux, …

2 – Logiciels de simulation de l’éclairage

2.1 Tableau comparatif de différents logiciels de simulation d’éclairage

A travers cette liste de logiciels de simulation d’éclairage, qui n’a pas pour but d’être exhaustive mais a comme objectif de montrer les tendances du marché, on peut constater que la simulation inverse n’est pas encore intégrée aux logiciels grand public, ni mêmes à ceux réservés aux architectes. La simulation inverse est une méthode de conception qui se trouve encore entre les mains des chercheurs.

 


 

Figure 2 – Capture d’écran du logiciel Expression [1]

 

Figure 3 – Capture d’écran du logiciel Solimac [1]

2.2 – Détail d’un prototype de logiciel de conception de lumière inverse

L’étude de la lumière passe obligatoirement par le type de l’espace puisque on ne peut pas percevoir la lumière sans identifier la forme et inversement la forme ne peut pas être perçue sans lumière.

Pour déclencher le processus, l’utilisateur doit préciser quelques éléments de départ :

  • Choisir un type de lumière
    • Lumière contrastée
    • Lumière uniforme
    • Lumière abondante
    • Choisir un type d’espace, c’est-à-dire une forme spatiale rectangulaire :
      • Cavité
      • Foret
      • Clairière
      • Cristal.
      •  Choisir un effet lumineux
        • Effet lumineux physique
        • Effet lumineux plastique
        • Effet lumineux psychologique…
        • Choisir un dispositif (si l’utilisateur le souhaite):
          • Composant de transmission
            • Composant de transmission latérale
            • Composant de transmission zénithale
            • Composant de transmission globale
            • Eléments de contrôle
              • Surface séparatrice
              • Ecran flexible
              • Ecran rigide
              • Filtre polaire
              • Pare-soleil

Le système proposera ensuite des solutions en prenant en compte toutes les données déjà introduites.

Ces solutions seront évaluées par l’utilisateur qui peut relancer la procédure de résolution ou la personnaliser selon des critères spécifiques qu’il cherche à satisfaire.

NB : Le choix de l’effet lumineux est dans la plupart des cas dépendant du choix de l’espace.  Chaque combinaison présente une configuration. Quelques configurations sont présentées en détail dans l’article [1].  C’est au système en fait de guider l’utilisateur pour faire le meilleur choix.

Détails techniques :

  • Une fois  que l’utilisateur a lancé le programme, le système accède à une base de données, où se trouve toutes les informations ensuite utilisées pour trouver des solutions adéquates aux besoins.
  • Le modèle choisi pour la base de données est le modèle logique entité/association. Dans lequel, les entités sont les éléments principaux : lumière, espace, dispositif. Les relations caractérisent les liens entre les différentes entités. Exemple : L’identification de la lumière  commence par les attributs nom, localisation, position mais elle dépend implicitement de l’effet lumineux choisi. Le dispositif appliqué impose des choix spécifiques des effets lumineux qui seront ensuit appliqué, d’où la relation entre le dispositif architecturale et l’effet lumineux choisi qui est également identifié  par un nom

Figure 4: Exemple de relation

Etapes du processus :

  • Processus de déclaration (chaque choix restreignant le champs des choix suivants possibles)
    • Choix du point de départ : des intentions lumineuses ou spatiales
    • Choix du type de lumière
    • Choix du type de l’espace : seuls les types compatibles avec la lumière choisie seront affichés
    • Choix du type de l’effet  lumineux
    • Choix du dispositif

Fin du processus de déclaration. Fig5

  • Résolution
  • Affichage
    • solution détaillée pour différentes plages horaires
    • + caractéristiques géométriques du dispositif choisi
    • + une évaluation quantitative

Identification de la configuration et génération des solutions classées selon leur conformité au choix de l’utilisateur. Fig6

Le processus s’arrête à cette étape, cependant si l’utilisateur n’est pas satisfait du résultat, il peut changer les paramètres et générer une autre solution.  Le système lui permet également de comparer deux solutions au niveau de la distribution quantitative et qualitative de la lumière. Fig7

Figure 5:Cylindre de choix de configuration

Figure 6 – Différents résultats selon la conformité au choix de l’utilisateur

Figure 7 – Possibilité de comparaison entre deux résultats

 

Lexique

CERMA                  CEntre de Recherche Méthodologique d’Architecture [3]

Emittance              flux de lumière émis par unité de surface en W/m2 [2]

Références

[1] Lumière naturelle en phase de conception, quels outils/méthodes pour l’architecte, Gallas Mohamed Anis, 2009, Mémoire de Master,http://meurthe.crai.archi.fr/media/pdf/memoiregallas.pdf

[2]http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89mittance consulté le 01/02/2014

[3]http://www.cerma.archi.fr/ consulté le 01/02/2014

[4] http://fr.wikipedia.org/wiki/Intelligence_artificielle consulté le 12/02/2014

[5]Simulation inverse de l’éclairage naturel pour le projet architectural, thèse doctorale, Vincent Tourre,  2007, http://archive.bu.univ-nantes.fr/pollux/show.action?id=26c5cff1-ee29-46be-971f-e6a6d9453ad2

[6] http://www.athermys.fr/wp-content/uploads/2009/09/Outils-Logiciels-de-diagnostic-conception-dimensionnement.pdf consulté le 12/02/2014

[7] http://www.erco.com/guide/simulation-and-calculation/software-2700/fr/ consulté le 13/02/2014

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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