Conception paramétrique et éclairage naturel en architecture – Synthèse

La fin du projet de veille technologique de cette année scolaire 2013-2014 approchant, il est temps de faire un bilan du travail effectué sur la thématique de la simulation inverse de l’éclairage : détermination des conditions nécessaires (architecture, géométrie, matériaux, …) à partir d’une intention lumineuse (résultat souhaité en terme d’éclairage).

1 – Retour sur les publications

Tout d’abord un rappel des différentes  publications (posts de blog) et de leurs thèmes :

2 – Constats résultants sur la conception inverse de la lumière en architecture

  • L’ensemble de ces publications a permis de dresser un petit état de l’art de la conception inverse en éclairage. Il a ainsi pu être constaté que :
    • le sujet semble intéressant d’un point de vue commercial :
      • de nombreux articles mentionnent l’intérêt et le besoin des architectes  d’un tel logiciel de conception architecturale inverse à partir de la lumière
      • un brevet a été déposé pour protéger une méthode logicielle de calcul inverse de l’éclairage (cf. publication 3)
    • les méthodes peuvent et vont surement encore évoluées :
      • comme tout problème inverse
        • les calculs sont lourds
        • la géométrie de l’espace change les équations et les facteurs de calculs
        • l’espace des solutions possibles est conséquent
      • à cela s’ajoute  la complexité inhérente à la simulation de la lumière :
        • nombreux paramètres à prendre en compte (ouvertures, matériaux, géométrie, …)
        • nombreuses interactions de la lumière avec son environnement : intereflexions par exemple (cf. publication 4)
      • il convient donc de trouver des stratégies de résolution approchée performantes, par améliorations successives (cf. publication 5)
    • les logiciels de simulation inverse ne sont pas encore sur le marché :
      • des prototypes de logiciels de conception inverse de l’éclairage ont été mis au point dans le cadre de la recherche mais non commercialisés. Ce sans doute pour plusieurs raisons :
        • temps de calcul long, non propice à une itération de plusieurs tentatives de conception pour un architecte
        • non applicables à des cas réels d’utilisation (architecture complexe d’un bâtiment et non pas une architecture simplifiée telle qu’un cube)
        • interface utilisateur de recherche, non adaptée à un public d’architectes
      • il est à noter que les logiciels de simulation inverse de l’éclairage feront sans doute leur apparition en tant qu’option supplémentaire de conception dans un logiciel classique de simulation directe de la lumière
    • l’activité de recherche sur la conception inverse de la lumière en architecture reste encore limitée à une petite équipe de recherche du CERMA et quelques collègues chercheurs internationaux, ce qui restreint beaucoup actuellement l’amplitude des résultats que l’on peut obtenir en effectuant des recherches sur le sujet

3 – Retour sur les sources

Beaucoup de documents ont été cités au cours des différentes publications sur le blog. Nous tenons ici à dresser une liste synthétique des références majeures ayant été utilisées au cours de cette veille technologique :

a – Fonctionnement des logiciels de simulation de lumière

L’étude est centrée sur le logiciel Dialux.

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

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

[3] La simulation numérique de l’éclairage, mode de fonctionnement des logiciels de simulation, thèse de Fawaz Maamari 2004 http://theses.insa-lyon.fr/publication/2004ISAL0016/these.pdf

b – Inter-réflexion dans le problème de calcul d’éclairage

[4] ‘On the dualité of forward and inverse light transport’ http://vision.ucsd.edu/~manu/pdf/pami_invlt.pdf

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

c – Méthodes de simulation inverse d’éclairage

[11]Transférante pré calculée de radiance pour la conception d’éclairage en temps réel, 03/01/2013, Publication dans le cadre du projet de veille technologique 2012-2013 http://veille-techno.blogs.ec-nantes.fr/index.php/2013/02/03/transference-precalcule-de-radiance-pour-la-conception-declairage-en-temps-reel/

[12]Simulation inverse de l’éclairage naturel : les algorithmes génétiques, 06/01/2012, Publication dans le cadre du projet de veille technologique 2011-2012, http://veille-techno.blogs.ec-nantes.fr/index.php/2012/01/06/algorithmes-genetiques/

[7] Inverse lighting design for interior buildings integrating natural and artificial sources, Eduardo Fernandez, Gonzalo Besuievsky, 16 septembre 2012, Computers and Graphics
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0097849312001550

[8] Efficient inverse lighting: a statistical approach, Eduardo Fernandez, Gonzalo Besuievsky, 17 septembre 2013, Automation in Construction
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926580513001532

[9] Improving the low rand radiosity method using sparse matrix, Eduardo Fernández, Pablo Ezzatti y Sergio Nesmachnow, 2012 http://www.cimec.org.ar/ojs/index.php/mc/article/viewFile/3507/3422 -

d – Logiciels de simulation éclairage inverse

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

[10] 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 (programmes prototypes de simulation d’éclairage inverse)

4 – Annonce du plan du rapport final

Le rapport synthétisant les recherches menées au cours de ces publications de blog sera organisé de la façon suivante :

    • Introduction :
      • mise en relation du problème de calcul d’éclairage inverse et du calcul classique d’éclairage
      • difficultés du problème classique transférable au problème inverse
      • Principe générale de la méthode inverse de simulation de la lumière
    • Présentation des différentes méthodes inverse de conception lumineuse
      • Liste
      • Détail des nouveautés 2013-2014
    • Mise en lumière des différents logiciels de simulation lumineuse inverse
    • Recommandations pour de futures recherches (mots clés)
    • Conclusion sur les apports de cette veille technologique
    • (Références bibliographiques (principales et secondaires) Lexique, Table des figures)

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

Conception paramétrique et éclairage naturel en architecture – Dernières avancées sur les méthodes de calcul de lumière inverse

Cet article de blog va présenter deux améliorations successives concernant les méthodes inverses de calcul de la lumière: : tout d’abord une implication du modèle et une méthode d’optimisation heuristique astucieuse, puis une approche statistique de la résolution par optimisation. Ces améliorations ont été reportées dans des publications très récentes (2012 et 2013 respectivement) par les mêmes auteurs, à savoir Eduardo Fernandez et Gonzalo Besuievsky [1] [2]. A noter que dans ce résumé d’articles les justifications mathématiques de leurs méthodes et des avantages apportés ne seront pas détaillés, nous vous invitons donc à vous reporter aux articles [1], [2] si vous souhaitez en savoir plus sur les fondements théoriques de ces nouvelles méthodes.

Pour la petite histoire, Vincent Tourre, encadrant ce projet de veille technologique, a été coauteur avec Gonzalo Besuievsky, un des auteurs des articles présentés ici. Ils ont ensemble publié un article sur une méthode de calcul des sources de lumière naturelle dans le cadre d’une méthode inverse [3], article cité dans [1].

Rappels de vocabulaire

Pour rappel, un calcul inverse de lumière se fait sans connaitre les sources  de lumière. La méthode inverse de calcul de la lumière vise à partir d’un résultat d’illumination souhaitée sur certaines surfaces, appelée intention lumineuse, à déterminer les solutions possibles et optimales permettant d’obtenir ces résultats. La détermination des sources de lumières, aussi appelée design/conception/prise en compte  de la lumière en architecture, consiste à déterminer:

  • La position
  • La forme
  • L’émission (W/m2)

Pour les sources de lumière :

  • naturelle
  • artificielle

Difficultés du problème

En tant que problème inverse, le calcul inverse de la lumière présente des complexités d’ordre numériques et calculatoires. Les approches inverses de la lumière font intervenir classiquement 2 étapes de calcul :

  • celui de la simulation de l’illumination globale
  • celui de l’optimisation de la solution

Pour une solution trouvée donnée on simule l’illumination globale et on garde en mémoire ces données, pour ensuite simuler l’illumination globale à nouveau avec une autre solution, garder ces données, et continuer le processus/les calculs d’optimisation jusqu’à obtenir une solution optimale. Ces 2 étapes de calcul comportent chacune des difficultés/complexités numériques. Pour le calcul de l’illumination globale résultante il y de multiples surfaces de réflexions à prendre en compte et une bonne précision est requise. Pour le calcul d’optimisation, l’espace des solutions est immense et conduit à chercher des algorithmes d’exploration des solutions intelligentes.

Méthodes antérieures de calcul inverse de lumière

Avant la publication de ces deux articles, les méthodes de calcul de lumière inverses reconnues, en ce qui concerne la partie d’optimisation, étaient les suivantes, celles basées sur :

  • Des algorithmes génétiques, algorithmes basés sur la sélection de Darwin, dont le principe a déjà été décrit dans un post de blog d’un groupe précédent travaillant sur ce sujet [6]
  • Des systèmes de radiance inverse, qui ont également été étudiés dans un autre post de blog antérieur  [7]
  • Des méthodes heuristiques, c’est-à-dire faisant intervenir une « méthode de calcul qui fournit rapidement une solution réalisable, pas nécessairement optimale ou exacte » [4] Les méthodes heuristiques peuvent être générales, c’est à dire applicables à différents problèmes (hill climbing, beam search, simulated annealing) ou spécialement mises au point pour un problème particulier (par exemple celle qui sera présentée dans un des deux articles qui est une méthode adaptée de Variable Neighborhood Search).

Ces différentes méthodes présentes de nombreux inconvénients :

  • Souvent il s’agit de solutions numériques, alors que pour une application facile dans le domaine de l’architecture il serait bon d’avoir une représentation 3D du rendu avec la sensation lumineuse apparente.
  • Le temps de calcul varie de quelques minutes à quelques heures et ce pour des géométries simples (cubes, nombre limité d’ouverture, …). Ce qui rend ces méthodes impropres à un usage dans un cycle itératif de conception pour un architecte (vite lassé de faire une itération toutes les 4 h, les architectes préfèrent essayer un design, simuler le résultat de lumière en méthode directe, et modifier par méthode d’essai erreur les conditions jusqu’à obtenir la sensation lumineuse désirée).
  • Les solutions proposées ne prennent en compte qu’une seule origine de lumièrepossible à la fois : naturelle ou artificielle, et bien souvent seule la lumière artificielle est prise en compte (car non variable comme la lumière naturelle).

Présentation de la nouvelle méthode proposée en 2012

En 2012 dans la littérature scientifique est présentée une nouvelle approche du calcul inverse de la lumière. Cette approche présente les avantages suivants (justifiés par des tests reportés dans les publications) :

  • D’être suffisamment rapide (quelques secondes ou minutes) pour permettre aux architectes de pouvoir réaliser des cycles d’itérations avant d’obtenir le design qu’il juge idéal.
  • De prendre en compte à la fois la lumière artificielle et naturelle.

Les éléments  mathématiques de cette méthode sont :

  • Un calcul d’optimisation heuristique, qui impose des règles pour trouver les solutions plus rapidement basée sur la recherche des plus proches voisins (Variable Neighorhood Search), ceci constitue une grande amélioration par rapport aux méthodes précédentes en permettant d’accélérer considérablement le temps de calcul. La méthode VNS consiste à trouver l’optimum en partant d’une solution de départ, parcourir à chaque fois le voisinage et voir si un point du voisinage présente une valeur meilleure que celle de départ il sera pris comme solution sinon on refait la recherche sur un voisinage plus grand. Cet algorithme est utilisé pour résoudre des problèmes linéaires, non-linéaires, numériques mixtes, …
  • Un calcul de l’illumination globale avec la méthode LRR, Low Rank Radiosity, qui permet un calcul en temps réel de la radiance. Pour le détail technique de cette méthode LRR il convient de consulter l’article [8] , en espagnol …

Les hypothèses faites dans la mise en œuvre de cette solution sont :

  • Des matériaux diffusant la lumière parfaitement (distribution homogène)
  • Des sources de lumière artificielles dites Lambertiennes, avec une émission constante et homogène. Une amélioration future pourrait être de pouvoir travailler avec des sources de lumières anisotropiques, ne diffusant pas la même lumière dans toutes les directions, telles que les spots.
  • Des sources de lumière naturelles Lambertiennes également et constantes dans le temps (prise en compte de la moyenne d’intensité lumineuse entre les périodes ensoleillées ou nuageuses, et les moments de la journée : matin, midi, soir). Un travail dans la continuité de celui-ci pourrait être de permettre de prendre en compte l’aspect dynamique de la lumière du jour.
  • Des sources de lumière de forme rectangulaire. Il pourrait donc être souhaitable d’étendre cette étude à des sources circulaires, même si les sources rectangulaires pour les ouvertures vers l’extérieur restent les plus courantes à l’heure actuelle.

Le principe de fonctionnement du calcul de lumière inverse est résumé par le diagramme ci-après :

 

La conception architecturale de la lumière via des méthodes informatiques commence par une étape initiale de description de l’espace 3D à étudier avec les caractéristiques des matériaux (propriétés de réflexion/absorption lumineuse) et leurs emplacements, puis ce modèle:

  • Subit  un traitement pour obtenir une représentation compacte optimisée du modèle via la méthode de LRR (Low Rank Radiosity)
  • Se voit ajouter des informations complémentaires :
    • Les contraintesà respecter (données sous forme d’intervalles de valeurs ou d’inégalités) :
      • En termes de géométrie
        • Les dimensions des sources de lumière
        • Le ratio souhaité
        • La distance entre deux sources de lumière (réglementation par exemple pour les ouvertures sur les toits)
        • La symétrie des sources
    • En termes d’intention lumineuse
      • Les intensités lumineuses désirées sur chaque surface
  • La liste des variables d’optimisationà considérer :
    • La position des sources de lumière
    • L’émission de ces sources de lumière
    • La forme des sources de lumière
  • Les objectifs d’optimisationà suivre (habituellement) :
    • La consommation énergétique minimale
    • Le moins possible de sources de lumières artificielles
    • Le plus possible de sources de lumières naturelles

 

Présentation d’une amélioration supplémentaire proposée en 2013

En 2013, les auteurs de l’article précédent présente les résultats de la poursuite de leurs recherches :  méthode d’optimisation statistique qui améliore le temps d’exécution et la charge en mémoire. C’est une nouvelle méthode mathématique pour analyser les données on se basant sur une approche statistique qui prend en considération la radiosité de la scène. Cette technique est déjà utilisée dans des nouveaux logiciels de simulation de la lumière comme Dialux qu’on a  déjà invoqué dans une ancienne publication. La radiosité est définie par  «  une technique de calcul d’éclairage (ou illumination) d’une scène 3D. Elle utilise les formules physiques de transfert radiatif de la lumière entre les différentes surfaces élémentaires composant la scène. » [5]

L’intensité de lumière choisie est l’objectif et on doit trouver les conditions. Cette intensité peut être classifiée selon différents critères :

  • Représentation de l’éclairage: si c’est une lumière provenant de la source directement ou une lumière réfléchie (nous avons vu la différence au niveau des calculs entre la lumière réfléchie et la lumière directe dans la publication précédente).
  • La nature de l’objet cible : plusieurs contraintes s’imposent selon le type de la surface de contact, pour identifier la nature du phénomène qui aura lieu : réflexion, diffusion,… et s’il y aura une absorption d’une quantité de lumière
  • Le niveau de transport léger : pour identifier le type de l’éclairage et savoir si seul l’éclairage direct est ciblé ou bien toute l’illumination globale.

Des hypothèses sont faites pour appliquer cette méthode :

  • Toutes les surfaces d’interactions diffusent parfaitement la lumière.
  • Les émetteurs sont tous estimés comme sources lumineuses.
  • L’environnement est statique.

Le calcul de la radiosité se simplifie dans la résolution de cette équation linéaire :

Avec :

I : la matrice identité de taille n x n

R : matrice diagonale de tous les indices de réflectivités

B : le vecteur des valeurs de radiosité de chaque pièce (W/m²)

E : Le vecteur d’émission  (W/m²)

F : La matrice de facteur de forme[A1]

A noter que la matrice F est obtenue par une double projection de l’objet, d’abord il est projeté sur une demie sphère de centre le point d’intérêt et de rayon choisi, ensuite une deuxième projection sur le cercle formé par l’intersection de la sphère avec le plan.

Figure 3 : Explication de la matrice de facteur de forme

Le but est de trouver la valeur optimale de E pour résoudre le maximum de contraintes imposées.

Les algorithmes de résolutions pour trouver la valeur optimale de positionnement de la source de lumière utilisé dans d’autres méthodes sont implémentés sur des scènes généralement rectangulaires et simplifiées dans le but de diminuer le nombre de contraintes et minimiser les variables d’optimisation. La technique utilisée dans cet article est à nouveau la méthode « Variable Neighborhood Search (VNS) ».

La solution porte sur les valeurs de mu et sigma , le processus est itératif et le but c’est d’en sortir à la fin avec les valeurs optimales de ces deux paramètres. En fait la valeur optimale pour sigma est la valeur minimale, et pour mu la valeur maximale. L’article [2] explique en détail comment sont intégrés ces deux paramètres dans le système à résoudre. La figure ci-contre montre la variance de la luminosité globale pour différentes valeurs de sigma , les points rouges désignent la positions des sources de lumière :

Figure2 : cinq distributions de radiosité différentes selon la valeur

Comparaison des performances avec d’autres méthodes antérieures

Concernant les tests faits sur les autres méthodes de simulation, on doit savoir que habituellement:

  • Les tests sont effectués sur des scènes en forme de boîte simple et n’impliquent aucune complexité/singularité.
  • Un nombre important de variables d’optimisation est inclus dans les méthodes de calculs classiques. Le nombre atteint 27 variables.
  •  Une technique multi-objective est utilisée.

Dans le cas de cette nouvelle méthode, les tests ont été effectués sur des environnements plus complexes qu’une boite simple, avec 12 variables d’optimisation et malgré toutes ces difficultés et restrictions supplémentaires, la nouvelle méthode est 7 fois plus rapide que les méthodes classiques, ce qui en fait une méthode prometteuse !

Références

[1] Inverse lighting design for interior buildings integrating natural and artificial sources, Eduardo Fernandez, Gonzalo Besuievsky, 16 septembre 2012, Computers and Graphics
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0097849312001550

[2] Efficient inverse lighting: a statistical approach, Eduardo Fernandez, Gonzalo Besuievsky, 17 septembre 2013, Automation in Construction
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926580513001532

[3] A daylight simulation method for inverse opening design in buildings, Besuievsky G, Tourre V.  In: Rodrı´guez O, Sero´n F, Joan-Arinyo R, J. Madeiras J. Rodrı´guez EC, editors. Proceedings of the IV Iberoamerican symposium in computer graphics. Sociedad Venezolanade Computacion Graafica; DJ Editores, CA;2009.p.29–46.

[4] Définition Wikipédia de Heuristique, consulté le 22/01/2014 http://fr.wikipedia.org/wiki/Heuristique_(math%C3%A9matiques)

[5] définition Wikipédia de radiosité/radiance, consulté le 23/01/2014
http://fr.wikipedia.org/wiki/Radiosit%C3%A9_(infographie)

[6] Simulation inverse de l’éclairage naturel, 06/01/2012, Publication dans le cadre du projet de veille technologique 2011-2012, http://veille-techno.blogs.ec-nantes.fr/index.php/2012/01/06/algorithmes-genetiques/

[7] Transférence précalculée de radiance pour la conception d’éclairage en temps réel, 03/01/2013, Publication dans le cadre du projet de veille technologique 2012-2013 http://veille-techno.blogs.ec-nantes.fr/index.php/2013/02/03/transference-precalcule-de-radiance-pour-la-conception-declairage-en-temps-reel/

[8] Improving the low rand radiosity method using sparse matrix, Eduardo Fernández, Pablo Ezzatti y Sergio Nesmachnow, 2012
http://www.cimec.org.ar/ojs/index.php/mc/article/viewFile/3507/3422

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

 

Conception paramétrique et éclairage naturel en architecture – Inter réflexion et détails de la méthode directe

Apres l’étude d’un brevet dans la publication précédente on s’intéresse ici à 2 articles scientifiques:

  • Le premier que l’on pensait centré, à la lecture de l’abstract, sur la lumière inverse mais qui s’est avéré porter sur les inter-reflexions de la lumière, nous le commentons quand même ici car c’est un élément important à prendre en compte dans la simulation inverse de la lumière.
  • Le second qui porte sur les facteurs clés lors simulation directe de la lumière pour compléter le cas particulier du premier article.

1. Simulation des inter-réfléxions

La majorité des algorithmes d’acquisition de lumières ne prennent pas en considération les facteurs d’inter réflexions, ce qui facilite les calculs. Cependant avec la méthode inverse tous ces facteurs seront pris en compte.

Ce document établit les équations mathématiques et les calculs fondamentaux de transport de lumière selon la méthode inverse.Le problème qui se pose c’est que la lumière présente n’est pas acquise uniquement de la source elle-même, il y a aussi les effets de cette lumière sur la scène qui entre en jeu. La lumière peut-être décrite de manière linéaire: la lumière acquise/sortante globale (Iout) s’exprime en fonction de l’opérateur S (matrice d’inter-réflexion) et de l’éclairage direct des surfaces par les sources externes. Ainsi les calculs se font de cette manière (du point de vue de l’obtention de la lumière émise par la source à partir de la quantité de lumière résiduelle en un point, i-e méthode inverse):

S: matrice d’inter-reflexion

I out : la lumière sortante globale

Id : l’éclairage direct émis par la source externe

Mais ce qui complique encore les calculs c’est qu’on ne peut pas trouver directement la matrice S .

Ce tableau récapitulatif met en évidence  l’influence des inter-réfléxions sur tous les calculs :

                                      Figure1.Dualité de lumiére directe et inverse

La démonstration de toutes ces équations mathématiques est détaillée dans l’article [1]. En fait le but de l’invocation de ce tableau est juste pour donner une idée sur quelques calculs fréquemment utilisé pour estimer la lumière acquise en tenant compte des inter-réflexions.

2. Evaluation des logiciels de simulation

On a déjà vu les principes de la méthode inverse pour la simulation de la lumière et quels sont les facteurs qui peuvent  influencer sur la quantité finale de lumière qu’on peut récupérer dans une pièce. On passe souvent par une série de cas-tests pour arriver enfin à trouver la meilleure combinaison de paramètres qu’il faut utiliser, d’où  l’importance des outils de simulation inverse de l’éclairage.

On a parlé dans une de nos publications précédentes des logiciels de simulations de la lumière comme le  DIALuxEVO. La validation de ces logiciels se base sur :

  • La comparaison entre simulations et mesures dans des maquettes expérimentales.
  • La comparaison entre simulations et mesures dans des scènes réelles.
  • La comparaison entre simulations de différents logiciels.

Le rapport de différence entre le résultat souhaité et le résultat trouvé est causé par la variété des sources influençant sur la propagation de la lumière et la complexité des scénarios qui se présentent.

Pour appliquer ces scénarios et trouver le meilleur choix de composants et de leurs caractéristiques on doit passer par ce qu’on appelle la conception de l’éclairage. Ces choix sont faits selon des considérations :

  • Thermiques
  • Acoustiques
  • Energétiques
  • Ergonomiques
  • Esthétiques
  • Architecturales

Et afin d’aboutir à un résultat optimisé il faut prendre en considération les interactions entre les différents paramètres.

Parmi les choses qui influencent sur les choix des paramètres on trouve la géométrie des objets qui présente un élément clé pour le calcul de la propagation de la lumière. On prend en considération les surfaces visibles des matériaux opaques, les surfaces du sol et des masques extérieurs. D’autre part on trouve  les effets des parois vitrées qui influencent énormément sur la quantité de lumière résultante. En effet ces parois présentent le premier filtre pour le flux de lumière entrant. La forme de ces parois influence différemment sur le flux de lumière. Parmi ces formes on trouve :

  • Ouverture simple : l’effet de l’ouverture dépend de ses dimensions et de son épaisseur. Du point de vue de la quantité et de la qualité du flux lumineux ne subit aucune    modification.
  • Vitrage classique : Le flux subit l’influence de la transmission directionnelle du vitrage. Il garde sa direction mais subit une atténuation qui dépend de l’angle d’incidence.
  •  Vitrage à aspect bi-directionnel : Le flux lumineux subira un cheminement dans une direction donnée.
  •  Eléments de protection solaire : Pour bloquer ou réorienter la lumière directe de soleil, exemple : les stores vénitiens, les brises soleil et les stores en toile.
  •  La goniophotométrie réelle et virtuelle des matériaux.

Références

[1] Manmohan Chandraker, Jiamin Bai, Tian-Tsong Ng, and Ravi Ramamoorthi. “On the Duality of Forward and Inverse Light Transport”.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,2011.

http://vision.ucsd.edu/~manu/pdf/pami_invlt.pdf

[2] La simulation numérique de l’éclairage, limites et potentialités

http://theses.insa-lyon.fr/publication/2004ISAL0016/these.pdf

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

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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

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:

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“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

 

 

 

 

 

 

Conception paramétrique et éclairage naturel en architecture – Introduction

Le contexte de cette veille technologique est la création de bâtiments passifs confortables et esthétiques, conçus pour maximiser l’usage énergétique passif (« gratuit »)  des ressources naturelles telle que la lumière.

1.     Présentation de la problématique

La problématique porte sur les méthodes, voir éventuellement les logiciels ou simulateurs permettant de proposer à partir d’un éclairage donné une architecture optimisée d’un bâtiment : géométrie et matériaux ; forme, matériel et positionnement des ouvertures à faire vers la lumière extérieure. Obtenir des informations sur l’influence relative de chaque paramètre (forme de l’ouverture, position, matériaux de l’environnement, …) fait également parti de l’étude.

Les méthodes permettant la conception d’une architecture à partir d’une lumière souhaitée sont dites

  • inverses car elles partent d’un résultat voulu (une luminosité = x) pour en déduire l’environnement architectural permettant d’arriver à un tel résultat
  • paramétriques car la forme/matériel/positionnent des ouvertures ainsi que les matériaux dont sont faits les murs par exemples sont un ensemble de paramètres co-dépendants dans le but d’obtenir une luminosité donnée.

Ces méthodes peuvent être mises en place de manière directe (utilisation d’équations) ou plus indirecte/expérimentale (essais, modifications des paramètres, analyse du résultat, nouvelle tentative, …).

2.     Plan général d’attaque du sujet

Le travail attendu est un recensement des articles scientifiques sur la problématique précédente, de préférences récents et n’ayant pas déjà été cités dans les 2 bibliographies des rapports précédents portant sur des sujets connexes.

Une liste de mots clés pour la recherche a été fournie et pourra être complétée en fonction des termes rencontrés dans les articles pertinents. Les deux rapports précédents sur des sujets connexes sont également une bonne entrée en matière pour connaitre les enjeux de ce domaine de recherche. Etant donné que des travaux ont déjà été réalisés autour du sujet, après une période de familiarisation à celui-ci, nous nous concentrerons sur les méthodes inverses et paramétriques, en veillant à ce qu’elles concernent directement les sujets de la lumière naturelle et de la conception architecturale de bâtiment, ce qui n’était pas toujours le cas dans les travaux réalisés précédemment (la recherche était plus large pour trouver des idées dans d’autres domaines qui soient éventuellement applicable au domaine initial).

3.     Prise de contact avec l’encadrant

La rencontre avec l’encadrant a permis de

  • mieux définir le travail attendu et l’intérêt de celui-ci : veille technologique sur un sujet de recherche de l’encadrant et aide à la conception de bâtiment à faibles besoins énergétiques
  • cadrer les limites de la recherche : résultats attendus directement appliqué dans le domaine de recherche, et non pas potentiellement applicables
  • établir un premier contact et fixer des méthodes de travail : validation qu’une référence trouvée n’est pas déjà connue du chercheur

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

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