APPROCHE INVERSE POUR LA RESOLUTION DES CONTRAINTES SOLAIRES ET VISUELLES DANS LE PROJET ARCHITECTURAL ET URBAIN, DEVELOPPEMENT ET APPLICATION DU LOGICIEL SVR Sylvain Houpert To cite this version: Sylvain Houpert. APPROCHE INVERSE POUR LA RESOLUTION DES CONTRAINTES SO- LAIRES ET VISUELLES DANS LE PROJET ARCHITECTURAL ET URBAIN, DEVELOPPE- MENT ET APPLICATION DU LOGICIEL SVR. Autre [cs.OH]. Université de Nantes, 2003. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-00004176￿ HAL Id: tel-00004176 https://theses.hal.science/tel-00004176 Submitted on 15 Jan 2004 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. 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Université de Nantes ÉCOLE DOCTORALE MÉCANIQUE, THERMIQUE ET GÉNIE CIVIL Année 2003 T D HÈSE DE OCTORAT Diplôme délivré par l'Université de Nantes Spécialité : Architecture Présentée et soutenue publiquement par : Sylvain HOUPERT le 6 novembre 2003 à l'École d'Architecture de Nantes A PPROCHE INVERSE POUR LA RÉSOLUTION DE CONTRAINTES SOLAIRES ET VISUELLES DANS LE PROJET ARCHITECTURAL ET URBAIN D SVR ÉVELOPPEMENT ET APPLICATION DU LOGICIEL Jury Rapporteurs : Michel LÉGLISE, Professeur à l'École d'Architecture de Toulouse François GUÉNA, Maître Assistant à l'École d'Architecture de Paris La Villette Examinateurs : Jean-Claude BIGNON, Professeur à l'École d'Architecture de Nancy Pierre-Yves NIZOU, Professeur à l'Université de Nantes Jean-Pierre PÉNEAU, Professeur Associé Émérite de l'Université de Nantes Daniel SIRET, Ingénieur de recherche au Cerma Directeur de thèse : Jean-Pierre PÉNEAU, Professeur Associé Émérite de l'Université de Nantes Co-encadrant : Daniel SIRET, Ingénieur de recherche au Cerma Laboratoire : Cerma – UMR CNRS 1563, École d'Architecture de Nantes Approche inverse pour la résolution de contraintes solaires et visuelles dans le projet architectural et urbain 0 Sommaire au Soleil, il ne demande qu'à être vu... 1 Approche inverse pour la résolution de contraintes solaires et visuelles dans le projet architectural et urbain 2 Sommaire Remerciements Ce mémoire est l'occasion pour moi d'exprimer de larges remerciements aux personnes qui ont suivi cette recherche durant près de quatre années. Je remercie les organismes d'accueil et de financement de cette recherche : l'École d'Architecture de Nantes (EAN) et son Centre de recherche méthodologique d'architecture (Laboratoire Cerma), ainsi que le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) et la Région Pays de la Loire. Merci à la Délégation Bretagne du CNRS d'avoir accepter mes cumuls d'emplois. Je remercie particulièrement Messieurs Michel Léglise et François Guéna qui sont les rapporteurs de ce mémoire, ainsi que Jean-Claude Bignon, Pierre-Yves Nizou, Jean- Pierre Péneau et Daniel Siret qui en sont les examinateurs. Merci encore à toute l'équipe du Laboratoire Cerma pour son aide méthodologique et bibliographique. Merci enfin aux personnes qui ont relu ce mémoire ; elles se reconnaîtront. 3 Approche inverse pour la résolution de contraintes solaires et visuelles dans le projet architectural et urbain 4 Sommaire Résumé Dans cette recherche, nous tentons d'évaluer la pertinence d'une approche de simulation inverse des facteurs physiques d'ambiances dans le processus de conception en architecture et en aménagement urbain. Dans cette perspective, un outil de simulation inverse est développé et interfacé en sur-couche du logiciel de CAO AutoCAD largement utilisé dans les agences d'architectures. Il agrége les méthodes développées au Cerma ces dernières années sur la simulation inverse, de l'ensoleillement d'une part, et de la visibilité d'autre part. Dans le projet architectural ou urbain, la simulation directe solaire ou visuelle permet l'analyse d'une situation à un instant donné ou pour un point de vue donné a posteriori (après la conception d'un projet), tandis que notre démarche inverse consiste à cadrer la génération de solutions architecturales à partir des intentions d'ambiances du concepteur, et ce pour des périodes solaires et des zones de contraintes définies au début d'un projet. Les modélisations inverses de volumes de contraintes solaires et visuelles – ensembles de solutions à une contrainte donnée – ou d'uniques solutions d'ouvertures ou d'écrans sont des réponses optimales aux problèmes spatio-temporels de l'ensoleillement et de la visibilité. Ces volumes englobent l'ensemble des rayons solaires ou visuels joignant une base de contrainte (une zone à ensoleiller ou à protéger du soleil, ou un ensemble de positions potentielles d'un observateur) à une cible de contrainte (période solaire sur la "voûte solaire" ou cible visuelle du type monument, repère...). Ces volumes de contraintes sont aisément manipulables dans le modeleur géométrique. Comme les autres entités qui composent une scène numérique, il est possible de leur faire subir des opérations booléennes, des sections, des translations... Dans un premier temps, nous présentons un état de l'art de cette recherche sur les différents outils et méthodes de simulation inverse 2D puis 3D de l'ensoleillement et de la visibilité. Dans un second temps, nous développons et présentons l'outil SVR ainsi que ses applications. Enfin, nous livrons un état de l'art de quelques observations et méthodes d'observation des concepteurs à l'œuvre et nous évaluons notre logiciel par l'observation des raisonnements et comportements de onze architectes et étudiants en architecture concevant avec notre outil durant des phases d'esquisses et d'avant-projet. Pour cette évaluation, nous mettons en œuvre un protocole d'observation simultané ("think aloud protocol"). 5 Approche inverse pour la résolution de contraintes solaires et visuelles dans le projet architectural et urbain Abstract The architectural and urban design project is a complex work (artistic and legislative, aesthetic and cultural, technical and sensible, etc.). In this research, we present a numerical tool and its applications that enable to take into account the ambient environment factors during the architectural and urban design process. Generally, solar or visual "direct" simulation allows analysing a situation at a given instant or for a given point of view. In architectural and urban spaces, our "inverse" approach solves problems of sunlighting, visibility and solar reflection in built environment. By applying the principles of inverse simulation, our numerical model enables to mix these parameters and proposes to consider the relation between a base (given observer positions or a solar area) and a target (solar period – part of the sky vault – or visual element like, monument, landmark, etc.). This relation represents a volumetric constraint. The CAD tool that is developed (SVR software) helps the designers to display architectural and urban constraints and also better to take into account solar and visual impact of urban projects. Our model enables to find solutions in order to satisfy these solar and visual constraints and to generate and manipulate geometrical volumes (3D solids) such as other architectural objects or urban blocks, with AutoCAD(cid:86) software. These solutions of the calculations are "volumes of solar or visual constraints". They represent the whole of the sunbeams or visual rays between the base and the target. Such a representation enables architects and urban planners to find the exact solutions of a given constraint, and to conceive more sustainable devices in the long-term. We observed eleven architects or students in architecture, which used our software prototype during sketches and draught phases of architectural design process. For analyse these designers, we have used the "think aloud" protocol. Resumo La arkitektura kaj urba projekto estas kompleksa laboro (artista kaj laŭregula, estetika kaj kultura, teknika kaj sentebla...). En tio esplorado, ni prezentas numbra ilo kay ĝiaj uzoj kiuj permesas koncepti per mediaj fisikfaktoroj. Generale, sunaj kaj vidaj "rektaj" simuloj permesas analizi unu situacio dum unu elekta momento. En arkitekuraj kaj urbaj spacoj, nia "inversa" metodo solvas problemoj de 6 Sommaire sunlumigo, videblo kaj suna reflekto. Nia numbra ilo uzas "inversa" metodo kaj permesas kombini tioj tri factoroj. Li estimas la rilato inter unu bazo (multoblaj pozicio de okuloj aǔ unu suna surfaco) kaj unu celtabulo (suna perido – porcio de la "suna" volbo aǔ vida elemento kiel monumento, pejzaĝo...). Tio rilato reprezentas volumena trudo. La numbra ilo kiu ni produktis (SVR-AutoCAD) helpas arkitectoj por pli bone integri mediaj fisikfaktoroj en arkitektura kaj urba projekto. La solvoj de kalkuloj estas "volumenoj de trudoj". Ili reprezentas la tuto de sunaj aǔ vidaj radioj inter la bazo kaj la celtabulo. Tiel, la arkitektoj trovas la ekzakta solvo de una preciza trudo kaj ili konstruas efikaj kaj defendablaj sunekranoj. Dum skizofasoj, vi observis dekunu arkitectoj kiuj konfirmis nia "inversa" metodo kay nia ilo SVR. Por analizi la arkitektoj, vi uzas "samtempa" ceremoniaro. 7