Contexte de la modélisation des contraintes

L’élaboration d’un projet architectural ou urbain est un travail complexe, à la fois technique et sensible. Parallèlement au déploiement de procédures intuitives, elle nécessite le recours à des instruments rigoureux, permettant le traitement des dimensions objectives. C’est dans le développement de ces derniers que s’inscrit la présente recherche sur la modélisation géométrique et l’intégration des contraintes solaires et visuelles dans le projet. Avant de préciser la teneur de notre recherche, nos objectifs et notre problématique, nous rappelons quelques généralités sur la question de la simulation des facteurs physiques d’ambiances et plus précisément sur le contexte du traitement des phénomènes solaires et visuels. La prise en compte des facteurs physiques d’ambiances dans le projet d’architecte n’est possible que si l’on considère les formes des édifices et des villes comme des scènes constituées par l’interaction d’objets et de phénomènes. Ces objets, architecturaux ou urbains sont constitués de matières, le plus souvent minérales qui délimitent des pleins et des vides. Cependant, les scènes sont parfois composées, dans une moindre mesure, d’éléments végétaux (arbres, pelouses, etc.) et animaux ou humains. Dans ce dernier cas, nous considérons les individus comme potentiellement susceptibles de se mouvoir, et in fine, de se situer dans un ensemble de points (volume englobant les modélisations d’individus, ou polygone regroupant les positions moyennes des yeux d’observateurs sur une zone donnée, par exemple).

Ces objets, nous les appréhendons avec nos sens, principalement de manière visuelle grâce à la lumière naturelle ou artificielle, mais aussi tactile, acoustique, olfactive et kinesthésique. Notre corps est capable, pour chacun de nos sens, de percevoir les phénomènes physiques y correspondant, car ces derniers agissent sur nos récepteurs sensoriels. Les objets architecturaux, urbains ou paysagers subissent aussi ces manifestations physiques qui se traduisent sur eux, par des modifications de leur couleur (lumière solaire ou artificielle, humidité, etc.), de leur température (convection, conduction et rayonnement), de leur stabilité (vent, vibrations, etc.)… Pour ce qui concerne les rayons solaires, on sait qu’ils interagissent avec le milieu environnant et en particulier avec l’environnement architectural. Ils sont inobservables en tant que tel. Nous considérons donc, comme pour les rayons visuels, qu’ils sont invisibles dans une scène reconstituée à l’aide des procédures numériques. C’est pourtant la modélisation des faisceaux de ces rayons, correspondant à un ensemble depositions du soleil ou d’objets observés, que les méthodes ou outils, dits de simulation inverse ou de modélisation déclarative de l’ensoleillement et de la visibilité tentent de proposer aux architectes. Ces approches de modélisation en trois dimensions (3D) dans des scènes numériques, à partir de l’énoncé d’intentions d’ambiances, seront développées plus tard, avec notre problématique cadrée sur les contraintes d’ensoleillement, de visibilité et de réflexion solaire et visuelle. Nous nous situons, pour l’instant, dans le cadre plus général de la prise en compte, en modélisation géométrique, des paramètres physiques des ambiances et des contraintes qu’elles génèrent. Deux remarques importantes peuvent d’ores et déjà être formulées : premièrement, les facteurs physiques d’ambiances évoluent dans l’espace et le temps à travers les vides et/ou les pleins créés par l’architecture ou l’urbanisme. Les vecteurs d’ambiances que sont les rayons lumineux (solaires ou visuels) seront modélisés en quasi 4D (trois dimensions de l’espace plus celle du temps – cf. Figure I-0-1), puisque les faisceaux des rayons (solaires ou visuels) qui intéressent notre recherche, intègrent le temps dans l’espace (l’évolution de l’inclinaison des rayons solaires ou visuels selon la position du soleil ou de l’observateur, notamment).

Dans le projet d’architecture et d’urbanisme, la modélisation numérique consiste à réaliser les volumétries 3D de modèles d’objets matériels qui s’affichent sur un écran d’ordinateur. A partir de ces modèles, il est possible, grâce à des logiciels spécifiques, de réaliser des simulations de phénomènes comme l’ensoleillement, mais aussi la visibilité, la propagation sonore, l’écoulement du vent, etc. Pour simplifier, disons que les objets matériels sont modélisables sous forme de maquettes numériques (les modèles), tandis que les phénomènes sont simulables sur ces maquettes. La « modélisation » appliquée à l’ensoleillement et à la visibilité peut paraître difficile. Or, contrairement aux phénomènes acoustiques ou d’écoulements aérauliques par exemple, la géométrie des rayons solaires ou visuels est simple car rectiligne. Elle permet à ces derniers d’être modélisés sous forme de volumes 3D aux enveloppes non gauches manipulables dans une scène numérique. En terme de confort, les apports solaires ou « visuels » sont considérés comme bénéfiques ou préjudiciables selon le contexte dans lequel ils interviennent. Ainsi, les apports solaires hivernaux sont habituellement perçus comme des compléments de chauffage et contribuent au bien-être des usagers, tandis que ces mêmes apports solaires, sont généralement perçus comme une nuisance thermique en été, lorsqu’ils s’additionnent à l’air ambiant déjà chaud. De même, les échappées visuelles contribuent, dans certains cas, au bien-être des usagers, tandis qu’elles sont parfois jugées comme une « pollution visuelle ». Ces jugements sont précisément les données de base, nécessaires à la formalisation des contraintes solaires ou visuelles. Après avoir rappelé ces quelques éléments généraux sur la modélisation, il convient – toujours pour situer le contexte – de préciser la manière dont les questions liées à l’ensoleillement et à la visibilité sont traitées dans la pratique opérationnelle des architectes.