Exploration des mécanismes évolutionnaires appliqués à la conception architecturale : mise en oeuvre d'un algorithme génétique guidé par les qualités solaires passives de l'enveloppe, Evolutionary mechanisms exploration for supporting initial architectural design phase

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Sous la direction de Jean-Claude Bignon
Thèse soutenue le 31 mai 2010: INPL
Cette recherche porte sur l’exploration et la qualification des dispositifs évolutionnaires appliquées à la conception architecturale. Ici, ce sont les qualités environnementales et plus particulièrement les qualités solaires passives de l’enveloppe de l’édifice qui guideront le processus évolutionnaire. Nous nous attachons plus particulièrement aux phases initiales de la conception, et nous cherchons à spécifier un outil d’assistance favorisant et stimulant une conception créative. Après avoir établi et structuré une connaissance sur les processus de conception, sur la créativité, sur les qualités thermiques et sur les méthodes évolutionnaires, nous proposons un outil prototypal, fondé sur un algorithme génétique et implanté dans un logiciel de type modeleur. Celui-ci a été expérimenté dans le milieu pédagogique, et nous a conduit à caractériser les modalités de création et de conceptualisation de la forme architecturale dans le cadre d’une instrumentation évolutionnaire.Ainsi nous notons le basculement cognitif d’une pensée implicite vers une pensée explicite comme caractéristique fondamentalement de l’instrumentation générative. De plus nous insistons sur l’importance de l’indétermination signifiante comme composante essentielle de la création. Enfin nous proposons la notion de « trans-forme » comme élément caractéristique d’une pensée du processus et de la multiplicité. Cette « meta-forme » serait issue de la description des conditions de mise en forme à travers la paramétrisation des comportements aux limites et des modalités d’émergence
-Processus de conception
-Conception évolutionnaire
-Algorithme génétique
-Paramètres environnementaux
-Modélisation générative
This research tackles the exploration and the qualification of evolutionary mechanisms applied to the architectural design. Here, it is the environmental qualities and more particularly the passive solar qualities of the envelope of the building that will guide the evolutionary process. We become attached more particularly to the initial phases of the conception, and we try to specify a aided digital tool of facilitating and stimulating a creative design. Having established and structured the knowledge on the processes of conception, on the creativity, on the thermal qualities and on the evolutionary methods, we propose a prototypal tool, based on an genetic algorithm and implanted in a modeller software. This one was experimented in the educational environment, and led to us to characterize the modalities of creation and conceptualization of the architectural shape within the framework of an evolutionary instrumentation.So we note the cognitive fall of an implicit thought towards an explicit thought as a main characteristic of the generative tools. Furthermore we insist on the importance of the significant indecision as essential constituent of the creation. Finally we propose the notion of transform as characteristic element of a thought of the process and the multiplicity. This meta-shape would arise from the description of the conditions of shaping through the parameterisation of the behaviours at the limits and from modalities of emergence
-Design process
-Evolutionary process
-Genetic algorithm
-Environmental parameters
-Generative design
Source: http://www.theses.fr/2010INPL022N/document
Publié le : dimanche 30 octobre 2011
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Institut National Polytechnique de Lorraine (INPL)
École doctorale IAEM
Centre de Recherche en Architecture et Ingénierie
MAP CRAI UMR 694 /CNRS/CULTURE
Ecole Nationale Supérieure d’Architecture de Nancy
Exploration des mécanismes
évolutionnaires appliqués à la
conception architecturale
Mise en œuvre d’un algorithme génétique guidé
par les qualités solaires passives de l’enveloppe.


Thèse
Soutenue publiquement le 31 mai 2010 à 14h
Pour l’obtention du grade de docteur de l’INPL
Spécialité : Sciences de l’architecture

par
Philippe Marin

Composition du jury :
Directeur de thèse: M. Jean-Claude Bignon Architecte, Professeur HDR
ENSA-Nancy
Rapporteurs : M. Laurent Arnaud Ingénieur, HDR
ENTPE-Lyon
M. François Guéna Architecte, Professeur
ENSA-La Villette
Président : M. Sylvain Lazard Directeur de Recherche
INRIA - Nancy
Examinateur : M. Denis Zastavni Architecte, Professeur
Université - Louvain
1 Remerciements

J’exprime mes profonds remerciements à mon directeur de thèse, le
professeur Jean-Claude Bignon, pour l’aide qu’il m’a apporté, pour ses conseils et
pour son enthousiasme.
Je tiens également à remercier Hervé Lequay, sans qui ce travail n’aurait
probablement pas eu lieu, et qui m’a accordé sa confiance, m’a donné les moyens de
conduire cette recherche et dont la relecture attentive de ce document m’a été
précieuse.
Un grand merci à mes rapporteurs, Laurent Arnaud et François Guéna qui
m’ont fait l’honneur d’évaluer ce mémoire. Merci à Denis Zastavni et Sylvain
Lazard qui ont accepté de participer à mon jury. Je sais combien leur temps est
compté et je leur en suis d’autant plus reconnaissant.
Cette thèse est aussi le fruit des travaux menés au sein des laboratoires MAP-
CRAI et MAP-ARIA, des rencontres et des échanges avec l’ensemble des acteurs,
collègues et chercheurs de ces organisations, et mes remerciements vont
particulièrement à Xavier Marsault et Renato Saleri avec qui nous partageons les
thématiques de recherche.
Enfin, je n’aurai jamais assez de mots pour remercier Yann pour sa patience
et ses encouragements durant ce travail qui fut long avant d’être court.
2 Résumé :
Cette recherche porte sur l’exploration et la qualification des dispositifs
évolutionnaires appliquées à la conception architecturale. Ici, ce sont les qualités
environnementales et plus particulièrement les qualités solaires passives de
l’enveloppe de l’édifice qui guideront le processus évolutionnaire. Nous nous
attachons plus particulièrement aux phases initiales de la conception, et nous
cherchons à spécifier un outil d’assistance favorisant et stimulant une conception
créative. Après avoir établi et structuré une connaissance sur les processus de
conception, sur la créativité, sur les qualités thermiques et sur les méthodes
évolutionnaires, nous proposons un outil prototypal, fondé sur un algorithme
génétique et implanté dans un logiciel de type modeleur. Celui-ci a été expérimenté
dans le milieu pédagogique, et nous a conduit à caractériser les modalités de création
et de conceptualisation de la forme architecturale dans le cadre d’une
instrumentation évolutionnaire.
Ainsi nous notons le basculement cognitif d’une pensée implicite vers une
pensée explicite comme caractéristique fondamentalement de l’instrumentation
générative. De plus nous insistons sur l’importance de l’indétermination signifiante
comme composante essentielle de la création. Enfin nous proposons la notion de
« trans-forme » comme élément caractéristique d’une pensée du processus et de la
multiplicité. Cette « meta-forme » serait issue de la description des conditions de
mise en forme à travers la paramétrisation des comportements aux limites et des
modalités d’émergence.
Mots-clés : Processus de conception, conception évolutionnaire, algorithme
génétique, paramètres environnementaux, modélisation générative
Abstract :
This research tackles the exploration and the qualification of evolutionary
mechanisms applied to the architectural design. Here, it is the environmental
qualities and more particularly the passive solar qualities of the envelope of the
building that will guide the evolutionary process. We become attached more
particularly to the initial phases of the conception, and we try to specify a aided
digital tool of facilitating and stimulating a creative design. Having established and
structured the knowledge on the processes of conception, on the creativity, on the
thermal qualities and on the evolutionary methods, we propose a prototypal tool,
based on an genetic algorithm and implanted in a modeller software. This one was
experimented in the educational environment, and led to us to characterize the
modalities of creation and conceptualization of the architectural shape within the
framework of an evolutionary instrumentation.
3 So we note the cognitive fall of an implicit thought towards an explicit
thought as a main characteristic of the generative tools. Furthermore we insist on the
importance of the significant indecision as essential constituent of the creation.
Finally we propose the notion of "transform" as characteristic element of a thought
of the process and the multiplicity. This "meta-shape" would arise from the
description of the conditions of shaping through the parameterisation of the
behaviours at the limits and from modalities of emergence.
Keywords: design process, evolutionary process, genetic algorithm,
environmental parameters, generative design.

4 Laboratoire :
MAP-CRAI
École Nationale Supérieure d’Architecture de Nancy
2 rue Bastien-Lepage
BP 40435
54001 Nancy Cedex
5 6 7
1. Introduction 13
1.1. Problématique..............................................................................................14
1.2. Hypothèses..................................16
1.3. Plan du rapport............................17
2. La conception architecturale, une démarche exploratoire 19
2.1. La conception architecturale ........................................................................20
2.1.1. La conception comme résolution de problème......20
2.1.2. La conception comme processus...........................................................22
2.1.3. La conception comme conception.........................25
2.2. La conception architecturale créative28
2.2.1. La créativité ................................................................29
2.2.2. Les pensées créatives............36
2.2.3. Pensée verbale et pensée visuelle..........................37
2.2.4. La pensée analogique ...........................................................................39
2.2.5. Le rôle de l’outil...................45
2.3. Stratégie de morphogenèse architecturale.....................54
2.3.1. Stratégie de morphogenèse architecturale .............................................54
2.3.2. Forme architecturale et espace de signification.....57
3. Forme et matérialité dans le contexte des technologies
numériques 60
3.1. La conception architecturale numérique.......................................................61
3.1.1. La maturation de la CAO......................................................................61
3.1.2. Stratégies non compositionnelles..........................62
3.1.3. Les données dynamiques......65
3.1.4. L’analyse de la performance.................................................................66
3.1.5. Les processus algorithmiques...............................67
3.2. L’hybridation des processus.........72
3.2.1. Les modes de fabrication numérique.....................................................73
3.2.2. Les stratégies de fabrication.................................79
3.2.3. Les pratiques avancées de la conception architecturale .........................83
4. L’approche évolutionnaire 90
4.1. Processus bio inspiré....................................................................................91
8 4.1.1. L’approche techno-organique ...............................................................91
4.1.2. Analogie formelle.................................................94
4.1.3. Processus innovants..............................................97
4.2. Conception évolutionnaire, état de l’art......................102
4.2.1. Optimisation évolutionnaire ...............................................................102
4.2.2. Créativité évolutionnaire....................................104
4.3. Modèles informatiques évolutionnaires......................108
4.3.1. Algorithme génétique.........................................109
4.3.2. Programmation génétique...................................112
4.3.3. Stratégie évolutionnaire......113
4.3.4. Programmation évolutionnaire............................................................114
4.3.5. Architecture générale des algorithmes évolutionnaires........................115
5. Qualités environnementales solaires passives 120
5.1. Solaire passif, considérations historiques ...................................................121
5.1.1. Le contexte contemporain...................................................................125
5.2. Principes généraux.....................................................127
5.2.1. Cadre réglementaire...........127
5.2.2. Le bâtiment et son enveloppe .............................................................129
5.2.3. Les phénomènes physiques.................................130
5.2.4. Bâtiment solaire passif.......132
5.3. Méthodes de calcul ....................................................................................137
5.3.1. Principes de calcul de la RT2005........................137
5.3.2. Méthode de calcul du bilan thermique d’une installation dite
Méthode 5000.................................................................................................139
5.3.3. Performances des constructions solaires passives141
5.3.4. Méthode de calcul en régime permanent.............................................142
5.3.5. Indicateurs du confort thermique et concepts d’assistance à la
conception. .....................................................................143
5.3.6. Méthode d’évaluation retenue : Méthode des Degrés Jours
Unifiés 144
5.4. Principales équations et notions théoriques. ...............................................148
5.4.1. Maîtrise des déperditions par l’enveloppe...........148
5.4.2. Apports solaires..................................................149
5.5. Outils logiciels existants............................................156
5.5.1. Critères de l’analyse comparative.......................156
5.5.2. Synthèse de l’analyse .........................................159
5.5.3. Catégorisation des outils existants ......................................................165
9

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