« Laissez le monde dans un meilleur état que celui où vous l’avez trouvé, ne prenez pas plus que ce dont vous avez besoin, essayez de ne pas nuire à la vie ou à l’environnement, réparez vos dommage, le cas échéant» Paul Hawken(6). Cela montre les préoccupations environnementales ainsi que le souci de la durabilité. C’est un message pour tous afin d’être raisonnable, car le monde n’appartient pas seulement à nous (les générations actuelles), il est aussi pour les générations qui suivent.
Nous pouvons affirmer que les citadins sont de plus en plus préoccupés par le respect de l’environnement en milieu urbain. Il s’agit, dans un premier temps, de résurgence d’inquiétudes concernant la qualité de l’air et son impact sur la santé, mais la notion plus globale de «développement durable» semble commencer à gagner du terrain.
Les problèmes urbains figurent parmi les plus complexes à résoudre. La montée des préoccupations environnementales, la lutte contre la pollution et les nuisances, la protection des milieux naturels, la gestion économe des ressources non renouvelables ou rares se sont opérées à des rythmes différents selon les pays voire les villes et les contextes. Pour autant, la notion d’écologie urbaine a le plus grand mal à se préciser. Il y a les anciens travaux de l’école de Chicago dans les années 20 et des tentatives plus récentes comme celles de Christian Garnier et de Philippe Mirenowicz qui ont publié en 1984 un manifeste de l’écologie urbaine.
Nous allons mettre en relief dans cette partie le rôle de la 3D et son capacité de réaliser des simulation des phénomènes physique dans la phase technique des projets urbaines durable, tout ce qui concerne l’analyse des ressources naturelles comme (module ventilation naturelle et l’analyse solaire), mais aussi ce qui concerne les bâtiments comme (L’étalement urbain, analyse de densité urbaine et l’analyse énergétique des bâtiments), en expliquant comment cet outil peut se mettre au profit des urbanistes afin de réaliser leurs projets urbains dans un contexte plus durables.
1.2.1. Lutter contre l’étalement urbain grâce à la cartographie 3D
La question de l’étalement urbain et consommation des sols est de plus en plus présente dans les discours des politiques et des aménageurs depuis plusieurs années. Ce phénomène est apparu dans les années 1970 et devenu une problématique majeure.
On peut constater un accroissement progressif du nombre de collectivités qui s’engage dans une démarche de gestion géoréférencée à l’échelle de leur territoire grâce à la 3D. Le cas de l’Agence de Développement et d’Urbanisme du Pays de Montbéliard en est un bon exemple. En effet, cette dernière a étudié des scénarii de densification urbaine en 3D avec LandSim3D (un logiciel de 3D temps réel basé sur des données géographiques réelles comme l’IGN)
« La maquette virtuelle nous permet de mettre en évidence dans l’espace 3D les zones où la consommation d’espace est la plus forte et de les comparer avec des zones sous-exploitées et que nous appelons aussi les dents creuses » a annoncé M.Pierre LAVERGNE, (responsable du Pôle Intelligence du territoire et centre de ressources de l’agence) sur le site internet de LandSim. Il a également précisé que cette technologie nous a permis de « projeter des programmes de construction simplifiés sous la forme de concepts volumiques ou de volumes plus détaillés. Ces derniers sont en phase avec les objectifs inscrits dans notre SCoT ou nos PLU de façon à présenter l’agglomération de demain. Les fonctions de projection temporelle de LandSim3D nous aident également à comparer les variantes au cours du temps et présenter des scénarii de densification urbaine sur 10 ou 20 ans »(7).
Figure 5 : Vue depuis le Sud de la maquette 3D de la Ville de Sochaux.
Source : site internet de Bonatics – LandSim
http://www.bionatics.com/Site/activity/management.php#urba. Consulté le 29 novembre 2012
Figure 6 : Vue depuis le Nord de la maquette 3D de la Ville de Sochaux incluant des propositions de densification.
Source : site internet de Bonatics – LandSim
http://www.bionatics.com/Site/activity/management.php#urba. Consulté le 29 novembre 2012
Les deux figures précédentes, mettent en lumière ce dont Monsieur LAVERGNE a expliqué. « Grâce à logiciel de LandSim3D, la vile de Sochaux a pu avoir une meilleure lecture et visualisation de l’étalement urbain existant en proposent plusieurs scénarii de densification urbaine dans le futur. » L’idée de la possibilité de la présence des concepts volumétrique dans le SCoT et le PLU de l’agglomération de Montbéliard confirme l’utilité de la 3D.
Enfin la mesure volumétrique aide à observer les différentes étapes d’urbanisation de la ville, retraçant ainsi les grandes tendances qui l’ont construite.
1.2.2. Analyse tridimensionnelle de la densité bâtie
L’analyse de la densité permet une première mesure de l’usage des sols possible et de l’équilibre existante entre espaces ouverts et espaces construits.
L’analyse de la densité bâtie s’interroge plus largement sur l’ensemble des éléments qui participent à répondre aux besoins des urbanistes dans leurs projets de planification, de mesurer l’étalement urbain et la densification urbaine existante et future. L’exemple de la cartographie réalisée sur la densité bâtie à Paris fera l’objet d’un développement.
La ville de Paris a mis à disposition du public et sous licence libre les données dont elle dispose. Accessibles depuis le portail opendata.paris.fr, ces données peuvent être téléchargées et utilisées par tous.
Figure 7 : Carte de Paris, densité du bâti (représentation 2D).
Source : http://projet36belleville.hautetfort.com/archives/category/documents-officiels/index-1.html.
Consulté le 29 novembre 2012
En 2011, la société «Empreinte urbaine », une société des méthodes et outils pour les territoires et qui a programmé opendata.paris, a proposé un nouveau type de représentation à l’appui de la 3D de Google Earth comme le montre la figure suivante.
Figure 8 : Densité bâtie à Paris – représentation 3D
Source : le site internet de l’«Empreinte urbaine »
http://www.empreinte-urbaine.eu/blog/densite-batie-a-paris-representation-3d. Consulté le 29 novembre 2012
Nous pouvons constater que ce type de représentation a pris en compte les différences de hauteur des bâtiments, comme pour la carte plate, une couleur est associée à chaque volume. En plus de cela, le rendu exploite les possibilités de Google Earth de gérer la transparence. Ainsi, plus la densité d’une maille est forte, plus sa couleur s’assombrit (sur une échelle du jaune au rouge), comme illustrées par les figures suivantes.
Figure 9 : Densité bâtie à Paris zoom – représentation 3D
Source : site internet de « Empreinte urbaine »
http://www.empreinte-urbaine.eu/blog/densite-batie-a-paris-representation-3d. Consulté le 29 novembre 2012
Cette représentation 3D s’annonce importante car celle de la 2D n’indique que visuellement la classe à laquelle une maille appartient mais elle ne permet pas en aucun cas de comparer une maille à ses voisines. Ici, les différences de hauteur entre les mailles de même couleur permettent d’appréhender les différences, ainsi que la possibilité de naviguer au sein du paysage urbain.
1.2.3. Analyse énergétique tridimensionnelle des bâtiments
Des manifestations internationales dont nous citons le Protocole de Kyoto fin 2009, se sont engagées, à réduire les émissions de Gaz à Effet de Serre (GES) de 8 % par rapport au niveau de 1990.
La gestion énergétique des bâtiments dont l’objectif est d’optimiser la consommation énergétique et d’améliorer le confort et la qualité d’utilisation des bâtis, est devenu un enjeu majeur.
A ce titre, la modélisation et la simulation des performances énergétiques des bâtiments deviennent et plus que jamais, à cause des effets néfastes de la consommation croissante qui a mis en danger la durabilité et les besoins des générations futures, une nécessité absolue. Beaucoup de logiciels ont été créés afin de faire face à ce défi. Nous citons parmi ceux-ci les trois suivants :
Le premier est le logiciel « Ecotect ». Il a été programmé par Autodesk ; la société qui a mis en place de nombreux logiciels très connus dans le monde de l’architecture et de l’urbanisme comme l’AutuCad et 3DS max. Le logiciel Ecotect a été considéré par Autodesk comme l’outil de conception le plus complet depuis la phase d’avant-projet jusqu’à celle la plus détaillée (la phase d’exécution). La figure ci-après montre une réalisation rendue par le biais de ce logiciel.
Figure 10 : Exemple de performances thermiques de logiciel Ecotect d’Autodesk
Source : site internet de «Autodesk»,
http://www.autodesk.fr/adsk/servlet/pc/index?siteID=458335&id=15062033. Consulté le 30 novembre 2012
« Hevacomp Simulator » est le deuxième logiciel. Il a pour objectif d’effectuer une simulation dynamique des caractéristiques énergétiques du bâtiment par un modeleur 3D (voir figure ci-dessous). Ce logiciel a été programmé par Bently ; une société de développement de logiciels.
Figure 11 : Exemple d’un logiciel d’analyse énergétique de bâtiments – Hevacomp Simulator V8
Source : site internet,http://www.directindustry.fr/prod/bentley-systems-europe-bv/logiciels-d-analyse-energetique-de-batiments-28711-512443.html.
Consulté le premier décembre 2012
Le troisième logiciel est celui d’« ArchiWIZARD ». Il s’agit, selon l’éditeur RayCREATIS, d’un logiciel de service destiné aux architectes. Il leur permet d’évaluer, dès les premières phases d’esquisses, l’impact de leurs choix architecturaux sur la performance énergétique des bâtiments (thermique, éclairage, production d’énergie solaire).
Figure 12 : Exemple de la redue du logiciel ArchiWIZARD
Source : site internet,
http://apps1.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/screenshots.cfm/ID=598/pagename_submenu=/pagename_menu=/pagename=alpha_list_sub l.
Consulté le 1er décembre 2012
Nous constatons que les grandes sociétés de développement des logiciels (Autodesk, Bently et RayCREATIS) ont fait le choix, pour des raisons liées à la qualité et à l’efficacité des études rendues, de présenter leurs analyses énergétiques et résultats en faisant appel à des logiciels 3D. Cela justifie notre choix de présenter brièvement ces logiciels 3D (le coeur de notre sujet de recherche).
1.2.4. Analyse du vent
Les technologies d’exploitation de l’énergie renouvelable sont de plus en plus prises en considération dans le développement durable en Europe. Elles montrent un intérêt croissant en raison des avantages économiques et environnementaux. Les énergies renouvelables sont des sources d’énergie qui utilisent des ressources naturelles considérées comme inépuisables : vent, soleil, marées, chutes d’eau, terre, végétaux, etc.
L’énergie éolienne ou énergie du vent est l’énergie tirée du vent au moyen d’un dispositif aérogénérateur. Elle est aujourd’hui l’énergie propre la moins coûteuse à produire, ce qui explique l’engouement fort pour cette technologie.
À partir des données de vent aux stations météorologiques, «MeteoDYN» (une société d’ingénierie du vent et climatologie), calcule les caractéristiques du vent sur le site étudié, et par la suite elle fournit des cartes 3D du potentiel éolien sur la zone souhaitée.
Figure 13 : Calcul de la production d’énergie en milieu urbain – MeteoDYN
Source : site internet de «MeteoDYN»
http://meteodyn.com/secteurs-activite/amenagement-urbain/. Consulté le 7 décembre 2012
La présence de la 3D dans le monde de vent ne s’arrête pas dans l’énergie éolienne. Elle arrive jusqu’à la ventilation naturelle dans l’habitat qui se définit comme une action de produire une circulation ou un courant d’air et assurer sa répartition dans le milieu considéré.
Pour répondre à la problématique de la qualité de l’air intérieur dans l’habitat, deux critères sont pris en compte à savoir : le renouvellement et répartition. « Inopro », une société de la modélisation numérique, propose une simulation 3D du système de prise d’air sur la base d’une perte de charge interne connue. Cette simulation a été la base pour déterminer de manière approximative la plage de fonctionnement, la proposition de modifications et l’optimisation du dispositif caractérisation. Son objectif a été de valider le principe de pré dimensionnement rapide, puis d’effectuer un dimensionnement précis et proposer des solutions, voire les figures suivantes.
Figure 14 : Simulation flux d’air externe et vitesse (m/s) pour un scénario de vent donné – Inopro
Source : site internet de «Inopro»
http://www.inopro.com/Ventilation.htm. Consulté le 7 décembre 2012
Figure 15 : Simulation flux d’air – Inopro
Source : site internet de «Inopro», http://www.inopro.com/Ventilation.htm. Consulté le 7 décembre 2012
Les simulations de ventilation sont utilisées aussi bien dans l’extérieur des bâtiments que dans l’intérieur, « MeteoDYN », développe aussi des études de confort climatique des espaces extérieurs qui sont basés sur des cartographies 3D du vent réalisé à la demande. En intégrant les données climatiques régionales, il est possible de déduire les fréquences d’inconfort climatiques suivant les critères souhaités. MeteoDYN diagnostique les zones d’inconfort, de gêne, ou même de danger pour les piétons, et apporte les préconisations pour réduire ces effets, comme le montre la figure suivante.
Figure 16 : Étude de confort climatique au pied des tours – MeteoDYN
Source : site internet de «MeteoDYN»
http://meteodyn.com/secteurs-activite/amenagement-urbain/. Consulté le 7 décembre 2012
Les exemples montrés précédemment nous montrent que pour mesurer les vitesses de vents et leurs directions, une troisième dimension est nécessaire, car ce n’est pas possible de présenter le mouvement de vent dans l’espace en 2D.
1.2.5. Analyse solaire
Depuis longtemps, et pendant l’évolution urbaine et architecturale, les accès solaires ont joué un rôle important. La connaissance de la géométrie solaire est importante pour une maîtrise des problèmes de l’ensoleillement et de l’éblouissement, et prend toute son importance lors du choix d’implantation, par exemple pour éviter des ombres portées, lumière naturelle maximale et échauffement par les rayons du soleil l’hiver. Le respect des accès solaires peut entrer dans certaines lois d’urbanisation, ce qui d’autant plus important que la densité construite et élevée.
Dans la majorité des logiciels 3D utilisés par les architectes et les urbanistes, il y a toujours la possibilité de réaliser une simulation réelle de mouvement du solier pédant toute la période de l’année. Cette simulation permet de visualiser l’ombre portée par un bâtiment sur un autre et avoir des différents types de rendu pendant les heures de la journée (jour, nuit).
Nous allons expliquer une expérience personnelle que nous avons examiné pendant notre année universitaire à l’IATUER (l’institut d’urbanisme et d’aménagement du territoire de l’université de Reims, branche troyenne), en 2011-2012. Nous étions amenés (une équipe de quatre étudiants en Master 2) à réaliser un atelier sur le sujet du passage de la loi ZPPAUP (Zone de Protection du Patrimoine Architectural Urbain et Paysager) à l’AVAP (Aire de mise en Valeur de l’Architecture et du Patrimoine). Dans le cadre de cet atelier, nous avons réalisé un diagnostic d’un quartier troyen (Louis RIBOT(8)), que nous avons modulé en maquette 3D, en utilisant le logiciel « google sketch-up ».
Grâce à cette maquette 3D du quartier testé, nous avons eu la capacité de réaliser une analyse solaire qui nous a montré que la majorité des bâtiments sont bien ensoleillés, mais certains d’entre eux se trouvent néanmoins privés de soleil (voire la figure suivante). L’objectif de cette analyse a été d’insister sur le poids donné aux facteurs environnementaux dans les AVAP.
Figure 17 : Analyse solaire du quartier “Louis Ribot”, atelier de ZPPAUP à l’AVAP
Source : redue de la maquette 3D réaliser par Tarek ALKHOURY, M2 IATEUR-TROYES promotion 2011-2012
1.2.6. Cartographie du bruit
La nuisance sonore se pose comme une question sanitaire et sociale très concrète. Le bruit est une des nuisances majeures de la vie quotidienne. La pollution sonore est caractérisée par un niveau de bruit élevé au point d’avoir des conséquences sur la santé humaine et l’environnement. Autrement dit, les nuisances sonores peuvent affecter la santé et la qualité de vie.
Les cartes des bruits sont des outils d’aide qui permettent d’informer les populations sur le niveau global d’exposition, de caractériser les zones bruyantes ou calmes, et de servir de plan de diagnostic pour engager des actions : le plan de prévention du bruit.
Figure 18 : Cartographie du bruit (route, fier et industries) – ville de Nanterre
Source : Nanterre info mars 2010, http://archeenseine.fr/?p=619. Consulté le 10 décembre 2012
Les cartographies du bruit qui sont appliquées sur les grandes échelles (échelle du quartier par exemple, comme le montre la figure précédente), elles se présentent probablement par cartes 2D.
Figure 19 : Simulation d’impact acoustique verticale et en façade de bâtiment – CCVH
Source : site internet de « CCVH »,
http://www.hedont.fr/environnement_applications.php,
Consulté le 12 décembre 2012
La figure ci-dessus est un rendue réaliser par « CCVH » (Cabinet Conseil Vaincent Herdont), un cabinet d’études d’ingénierie acoustique. Cette cartographie 3D montre l’impact acoustique calculé verticalement sur une façade de bâtiment dans la situation initiale (à droite) et après construction d’un nouveau bâtiment (à gauche). Grace à ce type de module 3D, le calcul est possible sur toute la surface modélisable y compris des façades très complexes.
6 Conférence d’OCDE « vers des transports durables », la conférence de Vancouver. Vancouver, Colombie- Britannique du 24 au 27 mars 1996, page 12.
Paul Hawken est un environnementaliste, entrepreneur, journaliste et auteur à succès. Il est également architecte.
7 Le book de Land-sim en ligne :
http://blog.adu-montbeliard.fr/wp-content/uploads/2011/03/temoignage-3D.pdf
8 Quartier Ribot – Louis Maison : ce quartier est situé à l’Ouest de Troyes, elle se caractérise par un important habitat ouvrier, quelques lotissements bourgeois et une “cité-jardin” très bien conservée.
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