Soutenance mémoire
Lumière naturelle et architecture
La lumière faisait référence à la divinité (Hobday, 2006). Dans l’antiquité, les cérémonies religieuses prenaient place au milieu de jeux complexes de volumes et d’axes urbains construits en référence à la course du soleil, comme en Egypte ou en Grèce (Boubekri, 2008). A l’époque romaine, l’accès à la lumière du soleil était un droit public qui constituait une base de la législation des formes urbaines (Butti et Perlin, 1980). Ces deux imaginaires sont des témoins, exemples de l’usage varié du rayonnement solaire dans la fabrication de la forme urbaine. En effet, la lumière du jour a représenté depuis millénaires, une composante essentielle dans la définition de l’espace intérieur et la perception de ses dimensions (Reiter et Deherde, 2003), servant de repère dans le temps et un moyen pour accomplir les tâches quotidiennes. Les ouvertures dans l’enveloppe extérieure étaient le moyen principal pour rester en communication avec le monde extérieur, permettant d’avoir accès à l’intérieur , de disposer de l’espace et d’en sortir pour exploiter l’environnement.
En plus de la lumière, ces ouvertures jouent un rNle important dans la pénétration de l’air frais, du son, de la chaleur et globalement des facteurs sensibles de l’environnement (Idem). Dans notre étude, nous nous intéressons au rapport de la lumière du jour à la forme urbaine.
La lumière visible
Le spectre naturel contient toutes les longueurs d’ondes, aussi bien visibles comprises entre 400nm et 800nm, que celles invisibles : courtes c’est-à-dire l’Ultraviolet et les ondes longues c’est-à-dire infrarouges (M.C. Lam, 1986) (Figure 1-1). Bien qu’une lumière provenant de source artificielle permette de réaliser les taches les plus complexes, elle ne permet pas de reproduire l’ensemble du spectre naturel (Idem). Contrairement à l’œil humain, certaines espèces animales ont la capacité de percevoir les autres longueurs d’onde (Boubekri, 2008).
La lumière naturelle
La lumière naturelle /du jour a comme base le soleil et la voute céleste. Elle est directe par ciel dégagé et indirecte par ciel couvert (Lechner, 2015). De plus, les objets qui se trouvent autour d’une surface ou d’un espace éclairé, sont une source indirecte de lumière naturelle (Benharket, 2006). Dans certains cas, ces derniers représentent la principale source de lumière naturelle d’un espace (Lechner, 2015). Les bâtiments peints en blancs et les surfaces de façades réflectives, peuvent réfléchir jusqu’à 70% de lumière reçue (Idem) .
Prenant les deux cas extrêmes de ciel clair ensoleillé et couvert, il existe des différences dans la quantité, la qualité, le type de diffusion, la couleur de la lumière transmise et de l’usage qui en est fait.
Par ciel couvert, la distribution lumineuse est trois fois plus importante au zénith comparée à l’horizon (Lechner, 2015). La quantité de lumière représente une valeur faible variant de 5000 à 20000 lux comparée à la valeur transmise par ciel clair ensoleillé (Idem). Dans ce dernier cas, elle varie de 60000 à 100000 lux (Idem) .
La lumière naturelle peut prendre deux apparences fondamentales : une tache lumineuse, définissant des contours clairs avec des contrastes ombres / lumière très importants, ou une lumière diffuse où l’ombre portée est presque inexistante.
Lumière du jour et santé humaine
Les spécialistes de la question s’accordent à dire que la lumière directe du soleil représente l’élément vital de base pour l’homme et son environnement végétal et animal (Boubekri, 2008). Elle a un effet déterminant sur certaines fonctions biologiques, hormonales, et physiologiques, qui ne sont coordonnées qu’à travers sa présence (Idem). Ses effets sur la santé sont multiples, nous citons comme exemple la régulation de la sécrétion de certaines hormones comme la mélatonine qui contribue à la sensation de fatigue et à la baisse de vigilance, du cortisol connu pour être l’hormone responsable de l’éveil et de l’humeur chez les individus (Idem).
L’effet le plus important pour le métabolisme humain est celui de la production de la vitamine D, nécessaire à l’absorption du calcium par le corps (M.C. Lam, 1986). Le manque de cette vitamine, provoque un affaiblissement du système immunitaire et des maladies chroniques dont la plus connue est le rachitisme (Idem). Par ailleurs, l’exposition prolongée au soleil était la solution que le mouvement hygiéniste du 19ème siècle avait entrepris de mettre en œuvre pour lutter contre autre maladie : la tuberculose, avant la découverte à partir des années 1920 de la pénicilline (Siret, 2013). D’un point de vue cognitif, la capacité d’apprentissage chez les élèves et la performance au travail sont améliorées grâce à l’exposition à la lumière du jour (Boubekri, 2008). De plus, il est démontré que la couleur et l’uniformité du spectre lumineux solaire, permettent de limiter l’effet de vieillissement dû à l’activité professionnelle (Idem) Le spectre de la lumière naturelle permet d’éviter la fatigue des yeux (Boubekri, 2008) .
La lumière directe du soleil possède une très grande intensité lumineuse, c’est pourquoi il est parfois difficile de l’utiliser directement pour effectuer des tâches quotidiennes (M.C. LAM, 1986). Idéalement, elle est contrNlée par le biais de dispositifs d’éclairage naturel (Idem).
Transmission de la lumière naturelle dans l’espace construit
La lumière directe représente une ressource importante dans les espaces intérieurs construits, aussi bien pour l’éclairage que pour le chauffage (Boubekri, 2008). Avant que les technologies s’éclairage d’aujourd’hui soient découvertes et développées, des facteurs comme l’orientation, la disposition des espaces intérieurs et la configuration des éléments du bâtiment (murs, toitures, ouverture), étaient les principaux paramètres qui décident à la fois de la quantité et de la qualité de l’éclairage dans les espaces intérieurs (Boubekri, 2008). Traditionnellement, les dispositifs d’éclairage naturel sont fonctions de ces paramètres.
|
Table des matières
Introduction
1 Chapitre 1. Lumière naturelle et architecture
1.1 Contexte général
1.2 La Lumière
1.2.1 La lumière visible
1.2.2 La lumière naturelle
1.2.3 Lumière du jour et santé humaine
1.3 Transmission de la lumière naturelle dans l’espace construit
1.3.1 Les dispositifs d’éclairage naturel
1.3.2 La fenêtre verticale
1.3.3 Paramètres de dimensionnement de la fenêtre latérale
1.3.4 La fenêtre zénithale
1.3.5 Paramètres influençant la transmission de la lumière naturelle
1.3.6 limites des dispositifs d’éclairage naturel
1.4 Filtrage de la lumière naturelle dans l’espace intérieur
1.4.1 Persiennes et systèmes aveugles
1.5 Maximisation de la lumière naturelle dans l’espace profond
1.5.1 Étagère réfléchissante (light shelf)
1.5.2 Panneaux prismatiques
1.5.3 Les verres déflecteurs
1.5.4 Panneaux coupés au laser (Laser-Cut panel)
1.5.5 Autres dispositifs de filtrage et de maximisation de la lumière naturelle
1.5.6 Limites des systèmes de maximisation de la lumière naturelle
1.6 Transport de la lumière naturelle dans l’espace intérieur profond
1.6.1 Contexte actuel
1.6.2 Le lumiduc contemporain
1.6.3 Contexte urbain contemporain
1.6.4 Densité construite
1.6.5 Enjeux urbains contemporains
1.6.6 Ambiance des espaces profonds souterrains
1.7 Problématique
1.8 Méthodologie
2 Chapitre 2. Lumiduc : de l’utopie au réel
2.1 Idée de canalisation de la lumière dans l’histoire
2.1.1 Il y a 5000 ans, les miroirs réflecteurs dans l’Egypte antique
2.1.2 En 212 A.J. les miroirs ardents d’Archimède
2.1.3 Au 11ème siècle, les miroirs ardents d’Ibn Al-Haytham (Alhazen)
2.1.4 En 1841, la fontaine lumineuse de Jean-Daniel Colladon
2.1.5 En 1842, La canalisation de la lumière dans un liquide (J. Babinet)
2.1.6 En 1843, l’héliostat de J. T. Silbermann
2.1.7 En 1854, la fontaine lumineuse et J. Tyndall
2.1.8 En 1853, La fontaine lumineuse à l’Opéra de Paris
2.1.9 En 1880, Le photophone d’Alexander Graham Bell
2.1.10 En 1881, l’appareil d’éclairage des maisons de William Wheeler
2.1.11 En 1901, l’appareil de transport de la lumière du jour dans le sous-sol d‘Odilon Baltzar Hannibal Hanneborg
2.2 Lumiduc, entre utopies, science-fiction et littérature scientifique
2.2.1 En 1932, le projet utopique du Depthscraper
2.2.2 En 1970, la ville utopique d’Ecopolis de Guy Rottier
2.2.3 Roman de science-fiction : la vallée du temps profond de Michel Jeury
2.2.4 TPFE : Entre science-fiction et prospective, à propos du logement collectif de F.Tribel
2.2.5 Article scientifique : Entre nostalgie et prospective, le temps présent de Colette Pétonnet
2.3 Précurseurs du Lumiduc
2.3.1 Kei Mori : transport de la lumière naturelle par fibre optique
2.3.2 Lorne Whitehead : transport de lumière naturelle par tube prismatique
2.3.3 Steven Sutton : transport de lumière naturelle par conduits à parois métalliques
2.4 Synthèse
3 Chapitre 3. Technologie du lumiduc contemporain
3.1 Concept du lumiduc
3.1.1 Définition
3.1.2 Eléments composants le lumiduc
3.1.3 Procédés de transport de la lumière
3.1.4 Types de Lumiducs
3.1.5 Paramètres de dimensionnement
3.1.6 Fabricants
3.2 Efficacité lumineuse du lumiduc
3.2.1 Selon les fabricants de lumiducs
3.2.2 Le modèle mathématique de Zhang et al, 2001
3.2.3 Expérimentalement par Paroncini et al, 2007
3.2.4 Limites des lumiducs
3.3 Ambiance lumineuse associée au lumiduc
3.3.1 Perception de la lumière diffusée d’un lumiduc
3.3.2 Effet de la lumière du lumiduc avec et sans fenêtre
3.3.3 Spectre lumineux transmis par un luimduc
3.4 Efficacité énergétique du lumiduc
3.5 Illustrations de projets d’architecture avec des lumiducs
3.5.1 Centre de distribution européen de 3M, Projet EU d’Arthelio, Carpiano. Italy
3.5.2 The Low Line: jardin urbain souterrain sous New York, Etats Unies
3.5.3 Bâtiment de la faculté de génie civil de l’université de Minnesota. Etats Unis
3.5.4 Héliobus, Lumiduc à tube prismatique, Suisse
4 Chapitre 4 : Lumiduc et forme urbaine : étude prospective
4.1 Introduction
4.2 Méthode
4.2.1 Croisement
4.3 Analyse paramétrique architecturale
4.3.1 Lumiduc et façade
4.3.2 Lumiduc, toiture et sol
4.3.3 Lumiduc et plafond
4.3.4 Lumiduc et plancher
4.3.5 Lumiduc et murs
4.3.6 Lumiduc et hauteur du bâtiment
4.3.7 Lumiduc et épaisseur bâtiment
4.4 Analyse thématique urbaine
4.4.1 Lumiduc et rue
4.4.2 Lumiduc et paysage urbain
4.4.3 Lumiduc et silhouette urbaine
4.4.4 Lumiduc et intériorité
4.4.5 Lumiduc compacité et porosité
4.4.6 Lumiduc et climat
4.4.7 Lumiduc et végétation
4.4.8 Lumiduc et déplacement urbain
4.4.9 Lumiduc et soleil durable
5 Chapitre 5. Conclusion
Conclusion générale
