Une modélisation mathématique pour une conception architecturale optimale
Le Programme des Nations unies pour l’environnement (PNUE) estime que le secteur du bâtiment représente 10 % du produit intérieur brut mondial et qu’il emploie 111 millions de personnes. Par ailleurs, au niveau mondial, les bâtiments sont responsables d’environ 40 % de la consommation d’énergie, de 40 % de la consommation de ressources et de 33 % des émissions de gaz à effet de serre. «Les architectes ont l’habitude d’employer le terme de “conception optimale” pour désigner un choix parmi un ensemble très limité d’alternatives de conception, choix dicté par leur expérience et leur intuition, or les approches de conception modernes imposent de tenir compte d’un grand nombre de critères issus de diverses disciplines, souvent en conflit avec la nature», explique Nikos Lagaros, coordinateur du projet OptArch. «Du fait de cette profusion de possibilités, il est plus probable de parvenir à une conception optimale en incorporant des outils intelligents et automatiques dans le processus de conception, ce qui permet de mieux guider l’intuition des concepteurs.» Le projet OptArch, financé par l’UE, entend définir un cadre permettant d’employer la conception assistée par ordinateur pour optimiser la construction des bâtiments modernes. Entrepris avec le soutien du programme RISE Marie Skłodowska-Curie, le projet a fait appel à des architectes, des ingénieurs civils et des mathématiciens pour créer des méthodologies qui appliquent les techniques d’optimisation à chaque étape de la conception des structures civiles. OptArch a cherché à créer des synergies au sein d’une équipe diverse, composée de partenaires universitaires et industriels venus de Grèce, de France, d’Italie, du Canada, de Chypre, d’Égypte, de Jordanie et de Turquie.
S’appuyer sur les mathématiques pour déterminer la conception optimale
Les chercheurs ont utilisé des techniques d’optimisation de la forme et de la topologie afin de créer une conception architecturale assistée par ordinateur et de l’appliquer à des cas d’utilisation réels correspondant aux idées des équipes multidisciplinaires impliquées. Ils ont pris en compte des critères basés sur des variables liées à la mécanique des structures, à l’écoconception, à la conception bioclimatique et aux performances acoustiques. «Il est maintenant possible d’exprimer les critères et les contraintes de conception architecturale en termes mathématiques pour que l’optimisation soit applicable de manière réaliste», fait remarquer Nikos Lagaros. «De plus, les synergies ont permis d’établir des liens solides entre les partenaires et les bénéficiaires, sur lesquels se baseront de futures collaborations.» Le projet a testé et défini numériquement un certain nombre de nouveaux critères dédiés à la conception architecturale. Les membres de l’équipe ont prouvé que la topologie et la forme jouaient un rôle important pour élargir le champ d’application d’une conception optimale dans le domaine de la conception architecturale. Forts de ces connaissances, ils ont formulé trois nouvelles contraintes relatives à la géométrie des formes pour garantir une conception architecturale optimale. OptArch a étudié la résistance à l’effondrement progressif des structures en béton armé en utilisant des modèles numériques basés sur des éléments solides. Après avoir soigneusement conçu un ensemble colonne-dalle-poutre en béton armé, l’équipe est parvenue à dépasser la simple intuition en utilisant une méthode d’optimisation pour revoir la conception de la structure, ce qui s’est traduit au final par une meilleure durabilité. Outre le fait d’avoir développé des modèles numériques pour les contraintes géométriques de la topologie et de la forme dans le contexte d’une conception architecturale optimale, l’équipe d’OptArch a également établi des méthodologies destinées à améliorer les qualités esthétiques et la facilité de fabrication des structures optimisées. Les chercheurs ont ensuite abordé les problèmes acoustiques en ajustant leur conception pour les conditions de pression minimale et maximale attendues dans un bâtiment optimisé.
Le futur de la conception optimale
À l’avenir, l’équipe d’OptArch va chercher à affiner ses formulations relatives à la conception optimale et à les étendre à des aspects plus exigeants tels que la conception générative, les structures cinétiques et l’optimisation des performances acoustiques. L’équipe prévoit de développer une méthodologie globale portant sur une optimisation appliquée à quasiment tous les aspects de la conception architecturale, des profilés de construction aux structures hybrides.
Mots‑clés
OptArch, conception architecturale, bâtiment, conception optimale, topologie, performances acoustiques, modélisation mathématique, conception assistée par ordinateur, bâtiments modernes
