Méthodes et outils d'aide à la conception

Table des matières de cette page:

1. Introduction

2. Sources de données

Climat et microclimat

• METEONORM
• WEATOOL

Systèmes d'information géographiques, SIG

• ArcView
• SITG

Altlas électroniques

• SWISSATLAS
• Topographie

3. Outils d'analyse et de simulation

3.1 Outils stratégiques

• PLACE3S
• LEAM

3.2 Outils physiques

• ENVIMET
• N3S
• SOLENE
• ECOTECT
• Héliodon virtuel
• Solar envelope
• WMS
• TRANSMIS
• MOBILITY

4. Study in depth

1. Introduction

Avec les progrès en informatique émergent des nouveaux outils de travail et d'analyse qui s'ajoutent aux traditionnels outils de travail que sont les plans d'urbanisme. Bien qu'un outil général qui couvre tous les aspects de la planification énergétique à l'échelle d'un quartier ou d'une zone urbaine n'existe pas, bon nombre de méthodes, d'outils et de sources de données peuvent d'ores et déjà contribuer à la planification urbaine.

On peut classer ces outils en deux grandes catégories:

1) Bases de données et sources d'information:

• Base de données climatiques
• SIG, systèmes d'information géographiques
• Topographie

Ces outils sont appelés à remplacer progressivement plans et données disponibles sous forme papier traditionnelle. Leur avantage réside dans une grande flexibilité et précision. La centralisation de l'ensemble des données disponibles sur une base de données permet une lecture et interprétation synthétiques par la disponibilité immédiate et la possibilité de superposition et de corrélation d'informations.

2) Outils d'analyse et de simulation:

Outils stratégiques

• Outils d'analyse et de planification
• Evaluation des stratégies de développement
• Risk assessment and management

Outils physiques

• Etudes des écoulements: gaz (vents) et fluides (eau)
• Evapotranspiration, microclimat
• Accès solaires, potentiels d'énergie solaire
• Circulation et mobilité

Ce sont généralement des outils qui ne s'intéressent qu'à un nombre restreint de paramètres ou de phénomènes. Le recours à ces outils permet de répondre à des questions précises.

 

Les systèmes d'information géographiques, SIG, sont la base aux outils de simulation dont les capacités couvrent des aspects très variés, allant des accès solaires, à l'hydrologie en passant par la circulation, les infrastructures de l'énergie et les réseaux ...

Tous ces outils se placent en complément utile au travail de l'architecte / urbaniste.

Toutefois l'interactivité entre ces différents outils reste très faible en raison de la grande complexité des problèmes à traiter. L’idée, relativement naïve, de pouvoir intégrer aux logiciels une « intelligence » suffisante afin de les rendre utilisables au profane est un leurre; cette tâche n’est possible que pour des applications relativement simples et très précises. L’utilisateur aura toujours besoin de connaissances pour interpréter et vérifier la pertinence des résultats. Ceci est d'autant plus vrai que la complexité grandissante des problèmes abordés fait nécessairement appel à une certaine spécialisation.

Il est important que l’utilisateur possède quelques connaissances des bases théoriques afin de ne pas être induit en erreur par des apparences. Source: Simos Yannas, AAGS, 2001

La liste des outils qui est proposée ci-dessous est loin d'être exhaustive. Au risque de paraître technocrate, le but est de montrer en images quelques possibilités qui sont offertes à l'architecte/urbaniste lui permettant d'aborder l'aspect énergétique et écologique de la planification urbaine.

2. Sources de données

Climat & microclimat

Les données de température, ensoleillement, vent, précipitations, etc... vont largement conditionner la forme urbaine, les exigences imposées aux infrastructures, les potentialités d'énergies alternatives...

Base de données climatiques

METEONORM intègre une base de données de plus de 2500 stations et 360 villes de par le monde. Le logiciel peut générer des valeurs mensuelles ou horaires pour n'importe quel point sur le globe défini par ses coordonnées géographiques.

Différents formats de sortie sont proposés en standard, d'autres peuvent être définis par l'utilisateur.

Site Internet >>> http://www.meteotest.ch

Analyse des données climatiques

WEATOOL permet de réaliser une série d'analyses climatiques à partir des données météo horaires disponibles au sein de la base de données interne ou pouvant être importées à partir de différents formats, y compris METEONORM (ci dessus).

Site Internet >>> http://www.squ1.com

SIG, systèmes d'information géographique

La connaissance du territoire est un prérequis fondamental de tout projet urbain. A travers l'histoire, différents supports ont servi à matérialiser cette connaissance: transmission orale, connaissance populaire, ensuite le papier et les archives classiques et, plus récemment, l'informatique et les bases de données.

Un système d’Information Géographique, SIG, est un outil informatique permettant de représenter et d’analyser toutes les choses qui existent sur terre ainsi que tous les événements qui s’y produisent.

Les SIG offrent toutes les possibilités des bases de données (telles que requêtes et analyses statistiques) et ce, au travers d’une visualisation et d’analyse géographique propres aux cartes. Ces capacités spécifiques font du SIG un outil unique, accessible à un public très large et s’adressant à une très grande variété d’applications.

Les logiciels de SIG offrent les outils et les fonctions pour stocker, analyser et afficher toutes les informations. Les données sont certainement les composantes les plus importantes des SIG. Les données géographiques et les données tabulaires associées des données géologiques, hydrologiques, légales, réseaux, infrastructures, statistiques, nuisances... et plus généralement toute information corrélée à un lieu.

Exemple de superposition de données géographiques et environnementales
Source: http://www.esri.com (august 2005)

ArcView est un exemple de logiciel de SIG - site Internet >> http://www.esri.com

Applications

SITG, système d'information du territoire genevois

Exemples d'informations sur le site de Battelle
Source: http://www.sitg.ch/ (2005)

Site Internet SITG >>> http://www.sitg.ch/

Voir aussi:

• Gruppo GIS Ticino http://www.gis-ticino.ch/
• ecoGIS - données environnementales de la Suisse http://www.ecogis.admin.ch

Atlas éléctronique

As GIS, electronic atlases may provide useful territorial information, such as climatic data, statistical data, geological, ecological and topographic information...

Avalanche inventory: Berne

Densité de population / population distribution
Source: http://www.atlasofswitzerland.ch/ (2005)

The “Atlas of Switzerland” is a joint project of the ETH Zurich’s Institute of Cartography, the ETH Board, the Swiss Federal Statistical Office (SFSO) and the Swiss Federal Office of Topography (swisstopo).

Site Internet >> http://www.atlasofswitzerland.ch/

Topographie

Il s'agit de modèles de terrain et de ville troisdimensionnels réalisés le plus souvent par photo aérienne ou par satellite. Ces modèles peuvent servir de support d'étude des accès solaires, des vents ou de 'fond' aux SIG capables de représenter des données en 3D.

Swissphoto - Site Internet >> http://www.swissphoto.ch/

3 Outils d'analyse et de simulation

3.1 Outils stratégiques

Les outils de décision stratégiques permettent l'analyse de scénarios de développement à moyen ou à long terme. Ce ne sont pas à proprement parler des outils de simulation. Il s'agit d'avantage de méthodologies servant à évaluer des options ou stratégies par une série d'indicateurs (écologiques), ensuite de faire le suivi du développement.

PLACE3S

PLAnning for Community Energy, Economic and Environmental Sustainability, is a land use and urban design method created specifically to help communities understand how their growth and development decisions can
contribute to improved sustainability.

The PLACE3S approach to urban planning uses energy accounting to evaluate the efficiency with which we use our land, design our neighbourhoods to provide housing and jobs, manage our transportation systems, operate our buildings and public infrastructures, site energy facilities, and use other resources. PLACE3S uses energy accounting as a uniform language to bring together a diverse set of stakeholders. It provides maps and focused data to educate the public and decision makers about the effects of their choices on their community. The outcome is a well-informed, inclusionary public process that balances community values and integrates environmental, economic and social goals.

PLACE3S propose une méthode d'évaluation complète de l'évolution des quartiers mesuré sur trois indicateurs:

La méthode s'adresse aux collectivités, décideurs et urbanistes. Elle intègre tous les niveaux en rapport avec l'aspect énergétique:

Study in depth >> Create Sustainable Communities with PLACE3S
Handbook_PLACES_3_Create_Sustainable_Communities.pdf
http://www.energy.ca.gov/places/

LEAM

The Land Use Evolution and Impact Assessment Model

The Land use Evolution and impact Assessment Model (LEAM), utilizes a collaborative environment adapted
for the purpose of developing a Spatial Decision Support System (SDSS) to evaluate human development patterns. LEAM describes land-use changes across a landscape that result from the spatial and dynamic interaction among economic, ecological, and social systems in the region on a 30 x 30m grid.

It enables planners, policymakers, interest groups and laypersons to visualize and test communal decisions and their consequences.

Source: http://www.leam.uiuc.edu/

Output: GIS maps or movies show the transformation of the subject landscape as a product of policy related inputs.

Further reading >>> http://www.leam.uiuc.edu/

3.2 Outils d'analyse physiques

Ecoulements, CFD

L'analyse des accès solaires, rayonnements et mouvements d'air permettent une compréhension du microclimat urbain. La maîtrise des vents et des phénomènes hygrothermiques au voisinage des bâtiments a une incidence directe sur le confort des espaces publics qui contribue de façon significative à la qualité de vie des villes. Dans une moindre mesure, une bonne gestion du microclimat urbain peut réduire les besoins en chaud/froid des bâtiments.

Modèle microclimatique dynamique, évapotranspiration

ENVI-MET simule les interactions surfaces-végétation-air avec une résolution jusqu'à 0.5m. La simulation inclut les flux d'air autour des bâtiments, l'évapotranspiration des surfaces et plantes, turbulence, dispersion...

ENVI-met is a three-dimensional microclimate model designed to simulate the surface-plant-air interactions in urban environment with a typical resolution of 0.5 to 10 m in space and 10 sec in time.

ENVI-met is a prognostic model based on the fundamental laws of fluid dynamics and thermo- dynamics. The model includes the simulation of:

Site Internet >>> http://www.envi-met.com/

Simulation des écoulements d'air dans des géométries complexes

N3S simule les écoulements d'air et les champs de pression autour et dans les constructions. C'est un logiciel de mécanique des fluides basé sur la méthode des éléments finis. On peut y coupler éventuellement la turbulence du vent et une équation thermique. Ce code de calcul permet de traiter des géométries complexes telles que celles des bâtiments et des îlots urbains.

Site Internet >>> http://www.cerma.archi.fr/

Hydrologie, zones inondables, érosion

The Watershed Modeling System (WMS) is a comprehensive graphical modeling environment for all phases of watershed hydrology and hydraulics. WMS includes tools to automate modeling processes such as automated basin delineation, geometric parameter calculations, GIS overlay computations (CN, rainfall depth, roughness coefficients, etc.), cross-section extraction from terrain data...

Des modèles similaires sont capables d'évaluer l'impact thermique et écologique d'un soutirage ou rejet de chaleur/froid dans un lac ou une rivière.

Site Internet >>> http://www.scientificsoftwaregroup.com

Accès solaires, potentiels de rayonnement

La maîtrise des accès solaires est importante pour créer des microclimats urbains confortables et de garantir les potentialités d'utilisation d'énergie solaire pour des applications thermiques (apports directs ou capteurs thermiques) ou la production décentralisée de courant électrique photovoltaïque.

Potentiels d'ensoleillement, d'éclairement et de rayonnement

SOLENE constitue un système ouvert de questionnements, proposé dans une interface graphique et organisé autour de fonctions de simulation, qui permettent d'appréhender les ensembles construits architecturaux ou urbains au travers des paramètres solaires, lumineux et thermiques.

La connexion aux logiciels industriels se fait via le format Autodesk Lightscape.

Site Internet >>> http://www.cerma.archi.fr

Analyse d'accès solaires, énergies incidentes, géométrie solaire

ECOTECT est un logiciel de géométrie solaire très complet. Il permet également l'évaluation de l'énergie incident sur une surface donnée. Une passerelle via DXF vers les logiciels de dessin industriels permet d'exporter les géométries qui ont été créées dans l'éditeur 3D interne.

Site Internet >>> http://www.squ1.com

Héliodon virtuel

Les logiciels de DAO qui intègrent un modeleur 3D sont aptes à réaliser bon nombre d'analyses en rapport avec la géométrie solaire. Certains intègrent des outils permettant de visualiser les ombres portées pour un lieu, une date et une heure donnés.

En générant des vues axonométriques du bâtiment/quartier depuis la position du soleil, les parties invisibles correspondent exactement aux zones à l'ombre.

Cette représentation permet non seulement de mettre en évidence les surfaces ensoleillées, mais également d'évaluer l'exposition d'une surface au cours de la journée et des saisons. Les trois périodes étudiées sont représentatives du comportement du bâtiment:

A défaut de géométrie solaire disponible au sein du logiciel, les calculs s'effectuent relativement simplement selon les algorithmes donnés par les liens suivants:

Enveloppe solaire

The solar envelope is a way to assure urban solar access for both energy and life quality (Knowles and Villecco, 1980). The solar envelope regulates development within imaginary boundaries derived from the sun's relative motion.

L'enveloppe solaire est un volume imaginaire qui couvre le site à l'image d'une toiture virtuelle couvrant la parcelle. La pente de ses facettes sont ajustées de telle sorte à éviter des ombres sur le voisinage pendant une période définie. Une méthode de construction avec AutoCAD par Thanos N. Stasinopoulos est proposée en suivant le lien ci-dessous.

Site Internet >>> http://www.ntua.gr/arch/geometry/tns/solenvelope/

Urban Housing Over Commerce: Solar envelopes (left) replaced by student designs (right) viewed from east.
Source: Ralph L. Knowles 1999

Study in depth >>> http://www-rcf.usc.edu/~rknowles/sol_env/sol_env.html

Circulation et mobilité

Le transport est la conséquence de la dissociation spatiale des lieux de travail et de production, d'habitation et de loisirs. En représentant 30% de l'énergie consommée en Suisse, le transport est la première source de pollution et de nuisances sonores dans les villes - l'intégration du transport dans le plan d'urbanisme dès le début est une contrainte incontournable.

Modules de TRANSIMS
Source: http://www.sim.inf.ethz.ch/papers/cse-adam-02/html/

Simulation des flux de circulation et prévisions

• traffic impacts
• energy consumption
• traffic congestion
• land use planning
• traffic safety
• intelligent vehicle efficiencies
• emergency evacuation

Site Internet >>> http://www.ccs.lanl.gov/transims

Space / time mapping

Multidimensional scaling and space time mapping is a powerful tool for mobility analysis and planning

Jeu de simulation didactique

Design an attractive, economically and ecologically sustainable environment for your citizens. Get to know alternative concepts and administer the local public transport network ... The measures that can be taken to influence traffic (roads, traffic regulation schemes, public transport systems, car sharing...); the options for spatial planning and the environmental impact of decisions taken are all based on professional models created by transport and urban planners. MOBILITY is a result of the scientific support for the project by the Weimar Bauhaus University and the traffic research department of DaimlerChrysler AG, Stuttgart.

Site Internet >>> http://www.mobility-online.com

Portail de liens: http://www.trafficlinq.com/software.htm

Applet de simulation: http://www.mtreiber.de/MicroApplet/index.html

4. Study in depth

The solar envelope
http://www-rcf.usc.edu/~rknowles/sol_env/sol_env.html

Create Sustainable Communities with PLACE3S
Handbook_PLACES_3_Create_Sustainable_Communities.pdf
http://www.energy.ca.gov/places/

pg / 18-08-2005 / mailto