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http://lib.uliege.ac.be http://matheo.uliege.be Mémoire de fin d'études : "Opti

http://lib.uliege.ac.be http://matheo.uliege.be Mémoire de fin d'études : "Optimisation dans la conception architecturale". Auteur : Dissaux, Thomas Promoteur(s) : Jancart, Sylvie Faculté : Faculté d'Architecture Diplôme : Master en architecture, à finalité spécialisée en art de bâtir et urbanisme Année académique : 2017-2018 URI/URL : http://hdl.handle.net/2268.2/5026 Avertissement à l'attention des usagers : Tous les documents placés en accès ouvert sur le site le site MatheO sont protégés par le droit d'auteur. Conformément aux principes énoncés par la "Budapest Open Access Initiative"(BOAI, 2002), l'utilisateur du site peut lire, télécharger, copier, transmettre, imprimer, chercher ou faire un lien vers le texte intégral de ces documents, les disséquer pour les indexer, s'en servir de données pour un logiciel, ou s'en servir à toute autre fin légale (ou prévue par la réglementation relative au droit d'auteur). 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UNIVERSITÉ DE LIÈGE – FACULTÉ D’ARCHITECTURE L’optimisation en conception architecturale Travail de fin d’études présenté par Thomas Dissaux en vue de l’obtention du grade de Master en Architecture Sous la direction de : Thomas Dissaux Année académique 2017-2018 Axe(s) de recherche : Culture Numérique 1 Table des matières Introduction ..................................................................................................................................................... 3 Introduction générale ......................................................................................................................................... 3 Définition du problème ....................................................................................................................................... 5 But du travail ...................................................................................................................................................... 6 Etat de l’art ...................................................................................................................................................... 9 L’architecture paramétrique .............................................................................................................................. 9 Logiciels de développement d’algorithmes ...................................................................................................... 12 Outils de support à la simulation ...................................................................................................................... 16 Outils de support à l’optimisation .................................................................................................................... 18 Accès aux outils de paramétrique .................................................................................................................... 21 Théorie ........................................................................................................................................................... 25 Introduction ...................................................................................................................................................... 25 Mise en place de la définition paramétrique .................................................................................................... 25 Optimisation ..................................................................................................................................................... 26 Le choix de l’algorithme .............................................................................................................................. 35 Cas d’étude .................................................................................................................................................... 49 Temps de simulation ........................................................................................................................................ 49 Présentation du modèle .............................................................................................................................. 49 Résultats ...................................................................................................................................................... 51 Choix de l’algorithme........................................................................................................................................ 53 Comparaison des différents algorithmes.......................................................................................................... 57 Discussion des résultats ............................................................................................................................... 80 Note sur la représentation des données......................................................................................................... 82 Pistes pour le futur ........................................................................................................................................... 87 Conclusion ........................................................................................................................................................ 92 Bibliographie .................................................................................................................................................... 93 2 3 Introduction Introduction générale Aujourd’hui, l’optimisation arrive en phase finale des projets de grande envergure. Les ingénieurs sont alors chargés d’optimiser certains aspects tels que la structure, l’énergie, l’acoustique, etc. La tâche d’optimisation est pour l’instant, propre au travail de l’ingénieur et n’a jamais que très peu concerné l’architecte. Par ailleurs ce genre de pratique est souvent réservé aux grands bureaux, aux moyens financiers importants, et pouvant se permettre de développer, en interne, des solutions appropriées à chaque projet. La réalité en Europe et en particulier en Wallonie est que plus de la moitié des bureaux est constituée de moins de cinq architectes intervenant la plupart du temps sur des projets à petit budget [Stals, 2016]. Les ressources économiques ainsi que le temps consacré à la formation continue sont fort limités et ne permettent pas un apprentissage approfondi des nouvelles approches numériques. Ceci étant, on constate un certain engouement à la transposition de ces techniques d’optimisation et il apparaît petit à petit des solutions plus abordables dans le milieu de l’architecture. Jusqu’ici présentées de manière théorique, elles émergent dans la recherche de solutions pratique et plus abordables. Des architectes, tels que David Rutten [2011], Thomas Wortmann [2014] et Judyta Cichocka [2015], collaborent avec ingénieurs et mathématiciens afin de développer des pratiques numériques adaptées à leurs nécessités. Une étude des différentes méthodes d’optimisation développées et proposée à ce jour et leurs comparaisons à travers des cas concrets est donc nécessaire. Cela permet, d’une part, de se faire une idée de la difficulté d’exécution de ces algorithmes et d’autre part, d’identifier les bénéfices qu’un architecte peut en tirer, y compris pour des travaux de petite échelle. L’usage de l’outil informatique par les architectes Plusieurs études sur l’usage de l’informatique dans les bureaux d’architecture démontrent que les architectes l’utilisent principalement dans le but de communiquer l’information. En fonction du logiciel utilisé, l’architecte est bridé dans le dessin par les différentes commandes mises à 4 disposition. Ce problème est lié à la philosophie de développement de ces logiciels dits de CAD ayant pour but de retranscrire des idées et non de les développer [Terzidis, 2006]. Il y a dès lors une perte d’information lorsque l’on passe de l’esprit au papier et du papier à l’ordinateur. Par ailleurs, le simple fait de savoir qu’il faudra retranscrire le projet sur la machine limite parfois le concepteur à s’en tenir au développement d’idées réalisables via les outils disponibles et qu’il maîtrise. Dans ce cas, l’architecte est soumis au logiciel qu’il utilise. 5 Définition du problème Traditionnellement, le projet démarre par une phase de recherche. Celle-ci consiste en la réunion d’informations relatives au projet ainsi qu’à la réalisation des premières esquisses sous forme de dessins et maquettes. Elle a pour but de constituer une base de discussion permettant l’échange entre les différents acteurs. La contrainte principale à ce stade, est le temps. Une fois celui-ci écoulé, l’architecte se hâtera de retranscrire numériquement son travail sous les différents formats inhérents à chaque profession satellite. L’informatique ne participe alors en rien au développement du projet, elle devient même une contrainte importante. Cela est dû, en partie, à l’avènement du CAD (Computer Assisted Design) en architecture ces dernières années. Le CAD n’a jamais été développé que comme outil de retranscription du dessin et non comme outil de recherche ou de développement [Terzidis, 2006]. L’architecte est alors soumis aux possibilités du logiciel ou à ce qu’il est lui-même capable de reproduire sur celui-ci. “As most of the researchers in CAD were primarly concerned with the technicalities of converting design ideas into digital tools, none, if any, was also concerned with using those tools to actually design”. Terzidis [2006] Pour la majorité des architectes, le travail est directement influencé par le logiciel qu’ils utilisent et pour lesquels se développe une forme d’addiction qui induit un certain workflow et une certaine logique [Rocker, M, 2006]. Ces architectes ont peu, voire aucune connaissance des algorithmes sous-jacents aux outils qu’ils emploient réduisant l’interaction à une manipulation de formes préprogrammées à travers une interface masquant toute complexité mathématique [Rocker, M, 2006]. Il est intéressant de concevoir que, de manière perverse, le simple fait de savoir qu’il faudra tout retranscrire numériquement pousse l’architecte à même se limiter dans son esquisse aux outils informatiques que propose la plateforme sur laquelle il travaille. Il en découle une perte importante de finesse dans la définition de l’architecture par réduction souvent simpliste des logiciels de dessin. En plus de cette perte de résolution vient s’ajouter la mauvaise gestion de l’information, en effet, une source de perte importante est la transformation des données vers les différents formats propres aux nombreuses professions tels que l’ingénieur 6 AEC, l’ingénieur structure ou l’entrepreneur. Chaque poste nécessite en effet un format spécifique de document, ce qui impose à l’architecte de souvent devoir retranscrire plusieurs fois une même idée sous divers environnements exigeant chacun une certaine expertise. But du travail A l’heure du monde de l’information, l’informatique est devenue une nécessité omniprésente à laquelle se confronte constamment l’architecte. La quantité d’informations à traiter est souvent telle qu’il est nécessaire d’amorcer directement le projet de manière informatique [Grady, 2011]. Il est donc important de comprendre cet outil afin d’en faire un élément générateur. Se pose alors la question d’émancipation. Etant donné sa présence inhérente aujourd’hui en architecture, comment intégrer l’informatique au développement du projet de sorte à ce qu’elle fonctionne pour et non contre l’architecte ? Afin d’inverser ce rapport de servitude, il faudrait donc apprendre à communiquer avec la machine, lui parler dans un langage qu’elle comprend, c’est-à-dire, coder. “By using scripting languages, designers can go beyond the mouse, transcending the factory-set imitations of current 3D software”. Rocker [2006] M. Rocker fait le lien entre l’architecture et l’approche computationnelle en revenant aux origines du mot code. Il est dérivé du mot « codex » qui désignaient ces tablettes de bois réalisées par les Romains ayant pour objectif de distribuer les règles et principes à respecter à travers leur empire. L’architecture est de la même manière codée, c’est-à-dire dirigée par un ensemble de règles, conventions et contraintes. Whitehead [2003] appuie indirectement ces propos et affirme que l’architecte pense en fait déjà de manière programmatique, il n’a néanmoins ni le temps ni l’envie d’apprendre à programmer. Il existe cependant des alternatives qui permettent aux architectes d’aller plus loin dans cette communication et cela à moindre efforts. 7 La programmation visuelle permet de passer outre la complexité liée à la programmation textuelle. Elle est par conséquent particulièrement adaptée aux architectes et se développe d’ailleurs en périphérie d’un certain nombre de logiciels liés au design. De par la uploads/Ingenierie_Lourd/ dissaux-thomas-tfe.pdf