LUMIERE ET ARCHITECTURE : QUELQUES REPERES HISTORIQUES

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Simulation solaire

Elle consiste à déterminer, à un instant donné, les parties ensoleillées de chacune des faces de la maquette du site ; il s’agit là du module de base du système, qui repose sur des méthodes d’analyse solaire – la position du soleil à l’instant de la simulation et la géométrie du site.
Deux méthodes peuvent être utilisées : la méthode héliodon qui indique le tracé exact des ombres, et la méthode des masques qui permet de connaître les condition d’ensoleillement d’un site au cours du temps. Les résultats de ces deux types de simulation permettent ensuite la construction de différents descripteurs répondant à diverses requêtes ; il s’agira finalement d’afficher les éléments de surface qui répondent, par exemple, à une interrogation du type « Quels sont les éléments de surface de la scène ensoleillés plus de x heures pour une journée donnée ? ».

La technique « héliodon »

Cette technique est basée sur un principe identique à la simulation physique réalisée avec le dispositif physique nommé héliodon (voir la section 5.4.2.1), où il s’agit de dé- terminer les parties de la scène qui sont éclairées par le soleil à un instant donné ; autrement dit la simulation héliodon permet de déterminer le tracé exact des ombres. La maquette et la source lumineuse réelles sont remplacées ici par leurs équivalents numé- riques.
Le travail consiste finalement à effectuer une projection axonométrique de la scène selon la direction des rayons solaires : ainsi l’observateur contemple la scène depuis la position solaire (par conséquent à l’ « infini » devant les dimensions de cette scène), et voit donc très précisément les zones éclairées par le soleil (et celles-ci seulement). Le traitement des masques (obstacles au soleil) est ainsi directement intégré.
De manière plus détaillée, le logiciel SOLENE réalise successivement les opérations suivantes :
– Création d’une vue axonométrique selon la direction solaire, direction déterminée par la date à laquelle est réalisée la simulation (elle nécessite donc le calcul de la position solaire à un instant donné).
– Identification des portions vues dans cette projection axonométrique, c’est-à-dire des zones éclairées par le soleil (problème de traitement des parties cachées, clas SOLENE : état de l’existant ; propositions de développement sique et très rapide à l’heure actuelle, d’autant plus si le traitement s’effectue par une implantation matérielle spécifique plutôt que par logiciel).
– Stockage de ces zones éclairées et superposition à la maquette tridimensionnelle originale pour une visualisation par projection axonométrique ou perspective de point de vue quelconque.

La technique « masque »

Le résultat de la simulation héliodon permettait d’obtenir le bilan d’ensoleillement en un point de l’espace en fonction du temps ; au contraire la technique « masque » réalise un bilan d’ensoleillement à un instant donné en fonction de l’espace.
Globalement cette technique consiste, pour un point quelconque de l’espace, à identifier les trajectoires solaires visibles depuis ce point, en tenant évidemment compte des obstacles susceptibles de venir les masquer, partiellement ou totalement. Il s’agit finalement de déterminer à quels moments ce point particulier est au soleil, et il est donc ensuite facile de connaître les conditions d’ensoleillement du point étudié pour des dates quelconques de l’année.
Contrairement à la simulation héliodon, la technique masque impose la discrétisation de la scène tridimensionnelle, et par voie de conséquence des temps de calcul plus importants, sans aucun rapport cependant avec ceux nécessaires au traitement de l’éclairement diffus.

Simulation des éclairements énergétique et lumineux diffus

Ce type de simulation a pour objet la quantification de l’énergie diffuse reçue par un édifice (sa façade notamment) en provenance de la voûte céleste. Cette énergie atteint l’environnement urbain – sol, façades des bâtiments –, ces surfaces allant, suivant leur nature, réfléchir une fraction plus ou moins importante de l’énergie qui les a frappées. Il s’agit donc en premier lieu de définir la nature et de quantifier les sources d’énergie, puis de s’interroger sur la manière dont cette énergie va interagir avec les surfaces qui l’interceptent, et enfin de analyser les conséquences lumineuses, thermiques, etc. de son impact.
Comme on l’a évoqué précédemment, le rayonnement diffus était effectivement pris en compte par SOLENE, quasiment depuis ses origines d’ailleurs, mais son traitement se bornait à ne considérer la partie diffuse que sous la forme d’une fraction du rayonnement global… Malheureusement, cette approximation reste assez grossière : en effet, d’une part le rayonnement n’est pas distribué de manière uniforme sur la voûte céleste, mais tend à être plus concentré au voisinage de la position du soleil et à proximité de l’horizon (sauf peut-être dans le cas du ciel totalement couvert – voir la section 6.6.2), et d’autre part en site urbain, la distribution du bâti ainsi que les matériaux utilisés (dallages, façades, etc.) viennent modifier de manière souvent très sensible l’approximation précédente en raison des interactions existant entre les surfaces. Les fonctionnalités nouvelles de SOLENE ont donc pour ambition de fournir une instrumentation plus complète et plus performante, de manière à permettre une étude précise des corrélations entre les formes construites et les microclimats urbains qui en découlent. Sur un plan plus global cette fois, elles ont également l’ambition de contribuer à l’élaboration d’un système d’évaluation physique du projet urbain, ici au regard des éclairements énergétiques et lumineux.
C’est précisément l’étude de ces interactions – et plus particulièrement les aspects relatifs à l’éclairement lumineux – qui constitue le second volet de la partie instrumentale du présent rapport ; le premier volet étant quant à lui consacré à l’étude des sources mêmes de cette énergie et à la manière dont elle parvient à la surface terrestre ; ces sources sont évidemment le soleil ainsi que l’ensemble de la voûte céleste – il s’agira donc d’étudier la manière dont cette énergie franchit la couche atmosphérique terrestre.

Accessibilité visuelle

Il est clair que les problèmes d’accessibilité visuelle ne sont pas l’apanage de SOLENE puisque tout logiciel 3D est susceptible de permettre la vision de l’environnement urbain depuis un point particulier de l’espace. Cette potentialité est néanmoins évoquée ici dans la mesure où les procédures de calcul sont similaires à celles utilisées pour la dé- termination de l’ensoleillement en un point donné de l’espace. D’autre part l’interfaçage du logiciel avec des bases de données numériques 3D11 permet de réaliser des simulations (accessibilité visuelle ou autres) à partir de données urbaines déjà constituées, évitant par là même le fastidieux problèmes de la modélisation d’une part, d’accès aux données d’autre part (hauteurs des bâtiments surtout).
Le domaine de l’accessibilité visuelle concerne pêle-mêle la visibilité mutuelle de deux points d’un site urbain, ou encore la visibilité d’éléments singuliers du paysage urbain depuis un point particulier de l’espace, leur éloignement, le nombre d’objets singuliers visibles, l’angle de vue sous lequel ils sont perçus, etc. Rien n’empêche évidemment ensuite d’y superposer les informations issues d’une simulation masque ou héliodon…
Les travaux dans ce domaine s’orientent actuellement vers l’analyse et la caractérisation de trajets urbains au regard des ambiances visuelles perçues par l’usager au cours de son déplacement (tâches solaires, contrastes, rythmes, etc.) d’une part, et d’autre part, sur un plan plus prospectif, vers des problèmes d’intervisibilité pouvant conduire à l’édification de règles (au sens juridique du terme), par rapport au patrimoine historique notamment (visibilité d’un monument depuis une zone particulière de l’espace urbain, son occultation éventuelle par une construction nouvelle, etc.).

Énergie dispensée par l’astre solaire

L’énergie distribuée par le soleil est contenue dans son rayonnement électromagnétique essentiellement, dont une partie constitue le rayonnement visible ; pour nos applications, il peut être considéré comme une source constante et ponctuelle. Ce rayonnement se propage sans atténuation et en ligne droite depuis le soleil jusqu’à son entrée dans l’atmosphère terrestre ; lors de sa traversée des couches atmosphériques, il y est atténué et même dévié par les différents constituants de l’atmosphère. On comprend aisément qu’en dehors de ces constituants eux-mêmes, l’épaisseur traversée constitue le principal facteur d’atténuation du rayonnement ; cette épaisseur sera d’autant plus importante que les rayons solaires seront bas sur l’horizon (voir la masse d’air optique – section 6.4.1.2).

Radiations directes et diffuses

L’énergie en provenance de l’astre solaire est donc dans un premier temps diffusée par les constituants de la couche atmosphérique, mais le rayonnement qui parvient jusqu’au sol l’est de nouveau par l’ensemble des corps situés à la surface terrestre ; il est susceptible d’atteindre la surface terrestre sous deux formes (Fig. 11.), très différentes en quantité et en qualité :
– sous la forme de radiations directes, dirigées selon la direction soleil-terre ; ce sont les radiations, en provenance du disque solaire (contenues dans l’angle solide sous lequel il est vu depuis le point considéré), qui ont pénétré l’atmosphère sans avoir été diffusées ou absorbées, mais qui ont cependant été atténuées par les composants de la couche atmosphérique. Elles ne concernent évidemment que les périodes d’ensoleillement.
– sous la forme de radiations diffuses, qui proviennent de toutes les directions de l’hémisphère céleste suite à leur diffusion par les molécules, les poussières et les aérosols de l’atmosphère, la diffusion et la réflexion par les nuages et enfin les ré- flexions entre le sol et les couches basses de l’atmosphère ; le disque solaire n’est alors pas pris en compte. Raleigh a montré que l’atmosphère diffuse le rayonnement de manière sélective : la diffusion est plus importante pour celui de courte longueur d’onde, la conséquence visible de ce phénomène étant la couleur bleue du ciel.
Pour un observateur terrestre situé à l’extérieur de la couche atmosphérique, la lumière solaire est fondamentalement directionnelle, mais les phénomènes de la couche atmosphérique qui viennent perturber (diffuser, rediriger, affaiblir, etc.) ce rayonnement font que, selon les circonstances, il peut rester unidirectionnel avec projection d’ombres plus ou moins marquées, ou bien devenir totalement diffus, sans une quelconque ombre propre ou ombre portée. Le « perçu » de l’environnement qui en résulte s’en trouve lui ausAspects physiques si grandement affecté (grossièrement la création de contrastes plus ou moins marqués, de zones de taille variable avec l’altitude du soleil, d’alternances, de rythmes, une sorte de hiérarchisation lumineuse du paysage urbain dans le premier cas, le second cas au contraire amenant à une perception quasiment identique de l’ensemble des éléments du bâti, quel que soit leur orientation et leur éloignement…).
L’énergie globale qui atteint la surface terrestre est finalement la somme des radiations directes et diffuses (Fig. 12.), « l’efficacité » de ces rayonnements (du direct surtout) étant lié à leur direction par rapport à la surface qu’ils viennent frapper : G I Z D = ⋅ + cos où G est le rayonnement global, I le rayonnement direct, D le rayonnement diffus, et Z l’angle zénithal du soleil.

Table des matières

SOMMAIRE
1 INTRODUCTION ; CONTEXTE DE LA RECHERCHE
1.1 Contexte
1.2 Objet de la recherche
1.3 Objectifs
1.4 Méthodologie
1.5 Structuration du document
2 SOLENE : ÉTAT DE L’EXISTANT ; PROPOSITIONS DE DÉVELOPPEMENT
2.1 Introduction
2.2 Historique d’un logiciel : SOLENE
2.2.1 Généralités
2.2.2 Historique du développement
2.3 Principes généraux
2.3.1 Généralités
2.3.2 Les objets SOLENE
2.3.2.1 Les géométries
2.3.2.2 Les descripteurs
2.3.2.3 Les fonctions
2.3.3 Exploitation des résultats
2.3.4 Représentation et visualisation
2.4 Les simulations
2.4.1 Simulation solaire
2.4.1.1 La technique « héliodon »
2.4.1.2 La technique « masque »
2.4.1.3 Analyse des résultats
2.4.2 Simulation des éclairements énergétique et lumineux diffus
2.4.3 Accessibilité visuelle
2.5 Conclusion
3 ASPECTS PHYSIQUES
3.1 Énergie dispensée par l’astre solaire
3.1.1 Radiations directes et diffuses
3.1.2 « Effets » du rayonnement solaire
3.2 Les grandeurs physiques utilisées
3.2.1 Définitions et unités
3.2.2 Luminance et vision
3.3 Comportement des corps face au rayonnement
3.3.1 Généralités
3.3.2 Facteurs optiques
3.4 Conclusion
4 LUMIERE ET ARCHITECTURE : QUELQUES REPERES HISTORIQUES
4.1 Urbanisme et ensoleillement
4.2 Prise en considération de la lumière diffuse
4.3 Conclusion
5 ÉVALUATION DE L’ENERGIE LUMINEUSE DANS LE PROJET ARCHITECTURAL ET URBAIN : ETAT DE L’ART
5.1 Introduction
5.2 Des approches diverses
5.3 Aspects théoriques
5.3.1 Généralités
5.3.2 Les différentes projections géométriques
5.3.3 Le facteur de lumière du jour
5.3.3.1 Définition
5.3.3.2 Méthode en trois composantes
5.4 Méthodes et instrumentation
5.4.1 Techniques graphiques
5.4.1.1 Étude de l’ensoleillement
5.4.1.2 Étude de l’éclairement
5.4.2 Méthodes expérimentales
5.4.2.1 Ensoleillement
5.4.2.2 Éclairement diffus
5.4.2.3 Etudes in situ
5.4.3 Méthodes numériques
5.4.3.1 Tracés automatiques
5.4.3.2 Méthodes numériques proprement dites
5.4.3.3 Les outils de l’ingénieur
5.5 Conclusion 1
6 LE MODELE D’ECLAIREMENT DEVELOPPE POUR SOLENE
6.1 Introduction
6.2 Cosmogonie
6.3 Géométrie céleste (cosmographie)
6.3.1 Généralités
6.3.2 Le mouvement apparent de la terre autour du soleil
6.3.2.1 L’angle horaire ω
6.3.2.2 L’équation du temps ET
6.3.2.3 La déclinaison δ
6.3.2.4 L’altitude h
6.3.2.5 L’azimut α
6.3.2.6 L’angle solide ϖ
6.4 Énergie solaire
6.4.1 Du soleil à la surface terrestre
6.4.1.1 La constante solaire extraterrestre E0 ; l’excentricité α’
6.4.1.2 La masse d’air optique m (ou masse atmosphérique)
6.4.1.3 La hauteur d’eau précipitable w ; le trouble atmosphérique Τ
6.4.1.4 Le coefficient d’extinction atmosphérique a
6.4.2 L’éclairement solaire direct : les différents modèles
6.4.2.1 Formules de Perrin de Brichambaut
6.4.2.2 Expression de Dogniaux
6.4.2.3 Formule de Perraudeau
6.4.2.4 Le logiciel Radiance
6.4.2.5 Modèle Perez et al.
6.4.3 Comparaison des modèles
6.4.4 Conclusion
6.5 Modèle géométrique de ciel
6.5.1 Introduction
6.5.2 Différents modes de discrétisation de la voûte céleste
6.5.2.1 Discrétisation en éléments trapézoïdaux (type CIE et Le Strat)
6.5.2.2 Discrétisation en éléments « circulaires »
6.5.2.3 Discrétisation en secteurs sphériques
6.5.3 Méthode développée dans SOLENE : la triangulation géodésique
6.6 Distribution des luminances sur la voûte céleste
6.6.1 Généralités
6.6.2 Modèles de ciels couverts sans aucune prise en compte de la position du soleil
6.6.2.1 La luminance zénithale Lz
6.6.2.2 Les modèles de ciel couvert
6.6.2.3 Comparaison des modèles
6.6.3 Modèles de ciels couverts (avec prise en compte de la position du soleil)
6.6.4 Modèles de ciels sereins
6.6.4.1 La luminance zénithale Lz
6.6.4.2 Le ciel serein CIE
6.6.5 Modèles de ciels « intermédiaires »
6.6.6 Modèles « tous temps »
6.6.7 Autres modèles
6.6.8 Conclusion
6.7 Modes de représentation et de visualisation
6.7.1 Méthodes classiques
6.7.2 Méthodes développées pour SOLENE
6.8 Efficacité lumineuse du rayonnement
6.8.1 Généralités
6.8.2 La compilation de Paul J. Littlefair
6.8.3 Le modèle d’efficacité lumineuse de Perez
6.9 Conclusions
6.9.1 À propos des modèles de ciel
6.9.2 Quelques précisions concernant la terminologie utilisée
7 MISE EN PLACE D’UN MODELE DE REFLEXION
7.1 Énergie reçue par la scène
7.1.1 Aspects géométriques
7.1.2 Détermination de la visibilité
7.1.3 Échantillonnage de la scène
7.1.3.1 Généralités
7.1.3.2 Contraintes et type de maillage utilisé
7.2 Réflexions multiples
7.2.1 Hypothèses simplificatrices
7.2.2 Traitement du processus de réflexions multiples
7.2.2.1 Principes généraux
7.2.2.2 Mise en équation
7.2.2.3 Détermination des facteurs de forme
7.2.2.4 Solution du système d’équations linéaires des radiosités
7.2.3 Remarques complémentaires
7.2.3.1 Vitesse de convergence
7.2.3.2 Aspects technologiques
7.2.4 Conclusion
7.3 Réflexion et facteurs optiques des matériaux
7.3.1 Principes
7.3.2 Les modèles de réflexion
7.3.3 Modèle en phase d’implémentation dans SOLENE
7.3.3.1 Choix des modèles
7.3.3.2 Visualisation
7.3.4 Conclusion
7.4 Conclusion
8 INSTRUMENTATION ET TRAITEMENT DES VITRAGES
8.1 Le processus de simulation : synoptique
8.2 Le processus de simulation : exemple de traitement
8.2.1 Modélisation, simulations et exploitation des résultats
8.2.1.1 Ensoleillement
8.2.1.2 Éclairement dû à la voûte céleste seule
8.2.1.3 Éclairement total
8.2.1.4 Facteurs de forme
8.2.1.5 Traitement des réflexions multiples
8.2.1.6 Autres modes d’exploitation de la base de données
8.2.2 Conclusion
8.3 Traitement des vitrages
8.3.1 Généralités
8.3.1.1 Le vitrage comme source diffuse
8.3.1.2 Le vitrage comme élément de transmission extérieur/intérieur
8.3.2 Éléments caractéristiques d’un vitrage
8.3.2.1 Le facteur d’ensoleillement
8.3.2.2 Le facteur solaire
8.3.2.3 Le coefficient de transmission
8.3.3 Mode de résolution proposé dans SOLENE
8.3.4 Exemple de traitement
8.3.4.1 Éclairement direct
8.3.4.2 Facteurs de forme
8.3.4.3 Réflexions multiples
8.3.4.4 Plan fictif horizontal et facteur de lumière du jour
8.4 Autres applications
8.4.1 Cartographie des potentialités d’éclairement d’un site
8.4.2 Indicateur de visibilité : ciel visible depuis un point quelconque de l’environnement
8.4.3 Éclairement reçu sur un plan horizontal fictif ; facteur de lumière du jour
8.4.4 Conclusion
8.5 Quelques remarques à propos de la validation
9 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
9.1 Éléments de conclusion
9.2 Perspectives
9.3 Prospective
ANNEXE 1 : LES GRANDEURS PHYSIQUES UTILISEES : DEFINITIONS ET UNITES
A1.1 Grandeurs géométriques
A1.1.1 Coordonnées sphériques
A1.1.2 Angle solide
A1.2 Grandeurs énergétiques et lumineuses
A1.2.1. Flux énergétique ; flux lumineux
A1.2.2 Éclairement énergétique ; éclairement lumineux
A1.2.3 Exitance énergétique ; exitance lumineuse
A1.2.4 Intensité
A1.2.5 Luminance énergétique ; luminance lumineuse
A1.3 Résumé des grandeurs physiques utilisées
A1.3.1 Relations entre les grandeurs physiques
A1.3.2 Tableaux synoptiques
A1.4 Définitions des unités
ANNEXE 2 : CODES IMPLEMENTES AU LOGICIEL SOLENE
A2.1 Codes relatifs à la modélisation des luminaires
A2.2 Codes relatifs à la relation géométrique scène/ciel
A2.3 Codes relatifs au traitement des inter-réflexions
A2.4 Autres utilitaires développés
ANNEXE 3 : MODELE, MODELISATION ET SIMULATION NUMERIQUES
A3.1 La notion de modèle
A3.2 Les aléas du modèle
A3.3 Simulation numérique et architecture
BIBLIOGRAPHIE

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