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MESH ambitionne de rassembler au sein d’une même interface des outils de conception paramétrique pour répondre aux besoins opérationnels des aménageurs et des urbanistes. Il aborde la complexité des morphologies urbaines au prisme de la qualité environnementale.

MESH explore de nouvelles méthodes de conception paramétrique pour évaluer, comparer, faire évoluer les formes urbaines et les optimiser au regard d’indicateurs de performance : consommation et besoins énergétiques, confort (thermique, visuel, acoustique). Il se positionne à l’interface entre chercheurs, designers et décideurs, enrichissant les méthodes d’analyse des projets urbains par le développement d’algorithmes de génération, d’évaluation et d’optimisation des morphologies. Selon une approche multi échelle − quartier, espace public, îlot, bâtiment − MESH s’adapte aux différentes phases de la conception, et constitue une ressource scientifique et technique pour les acteurs du projet.

Contexte

Afin de maîtriser le processus d’étalement urbain et de respecter les ambitions européennes de réduction d’émissions de CO2, de nouvelles opérations d’aménagement plus denses et connectées voient le jour. Leur défi est d’associer densité, confort, attractivité, mixité, proximité et performance énergétique.

L’urbanisme fixe très tôt la capacité d’un quartier à concilier tous ces enjeux, et conditionne l’utilisation efficace et durable des ressources. Or si certains outils comme les imageries d’ensoleillement se banalisent, très peu sont multicritères pour une évaluation environnementale des formes urbaines, à la fois quantitative et qualitative, en phase de conception. Par ailleurs, l’évaluation environnementale des projets arrive après coup comme pour certifier d’un certain niveau de performance et très peu d’outils aident à modifier directement la maquette 3D du projet pour l’améliorer.

Le développement récent d’outils paramétriques de modélisation, de simulation, et d’analyse constitue une réelle opportunité pour faire évoluer les processus opérationnels de l’aménagement.

Ivry Confluences

Ivry Confluences, une des plus importantes opérations d’aménagement en région parisienne, est le premier terrain d'expérimentation de MESH.

Cette ZAC prévoit le développement de 1,3 M de m² de SDP pour un programme de  50% activités économiques, 40% logements et 10% équipements.

170911-MESH-Ivry Irradiation Et alors

Objectifs

MESH ambitionne de développer un processus de conception itératif, permettant d'adapter les hypothèses morphologiques des formes urbaines, de manière rétroactive, en accord avec les données de programmation et le profil de qualité environnemental envisagés.

Tant la pertinence de l’évaluation que la réactivité de l’outil sont gages de son utilisation dans un cadre opérationnel. Le projet se pose alors les défis suivants :

  • •   Identifier, sélectionner et développer des indicateurs environnementaux adaptés à l’échelle envisagée
  •    Rendre possible une évaluation comparative des projets de l’échelle urbaine jusqu’au bâtiment
  •    Rendre lisibles et compréhensibles les résultats des évaluations
  •    Suggérer des pistes d’évolution en générant des morphologies améliorées au regard d’une pondération des critères adaptés
  •    Concevoir des outils appropriables, réactifs et évolutifs, d’aide à la décision pour les aménageurs et collectivités, et d’aide à la conception pour les architectes et urbanistes
processusEvolutionnaire

Processus itératif de Conception - Optimisation génétique de la performance environnementale - ©MESH

Evaluation environnementale

Dans le projet MESH, l’évaluation de la qualité environnementale repose sur un panel d’indicateurs quantitatifs. Ils sont issus d’un état de l’art basé sur l'analyse croisée de trois entrées : caractéristiques géographiques et climatiques, typo-morphologie du cadre bâti et confort des occupants.

Pour aller au-delà de cette approche analytique, MESH se positionne sur une réflexion systémique dont l'objectif est de questionner la transversalité des évaluations, leur qualification, puis dans un temps ultérieur, leur quantification. Il peut s'agir par exemple, d'identifier, qualifier les interactions dans les méthodes d'évaluations, les effets domino pour être en mesure de corriger des biais, intégrer des effets dominos… intégrant de fait la complexité d'un calcul de performance environnementale des formes urbaines d'un projet.

Le paradigme de l’aide multicritère à la décision est utilisé comme une critique et comme une alternative à l’approche par optimisation d’une fonction unique, globale. Ce paradigme issu de la théorie de la décision renvoie au principe de "tableau de bord" par la construction d'un système d’indicateurs de performance.

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Représentation des indicateurs environnementaux par thèmes - ©MESH

Ce système d’indicateurs sert de base pour le développement des algorithmes d’évaluation, visant dans un premier temps une quantification relative des gains de performance (énergétique, thermique, acoustique, etc.), pour éventuellement tendre vers une quantification de la performance intrinsèque d’une forme urbaine.

Certains des outils d’évaluation réalisés dans le cadre de la recherche sont décrits plus en détail ci-dessous.

Exemples d'outils d'évaluation

Vis-à-vis

Cet outil permet de détecter les points de la façade remplissant les conditions de vis-à-vis avec une façade voisine.

Accès au ciel

Permet de calculer les indicateurs d’accès au ciel de tout ou partie des éléments géométriques constitutifs d’une morphologie urbaine.

Ensoleillement

Cet outil permet de calculer le nombre d’heures d’ensoleillement reçu en un point de façade pour une période donnée.

Irradiation

Cet outil permet de calculer l’irradiation sur un ensemble de points de calcul. On pourra distinguer l’irradiation reçue par les façades, les toitures, etc.

Exposition à vue bruyante

Permet de caractériser l’exposition des façades d’une morphologie urbaine à des pollutions sonores venant des infrastructures de transport terrestres.

Vue sur espace qualitatif

Cet outil permet d’évaluer le pourcentage de points d’une façade offrant une vue sur un ensemble de points d’intérêt qualitatifs.

NB: Les routines d'évaluation intégrées à MESH intègrent pour partie des outils développés sous license OpenSource comme notamment la bibliothèque de fonctions "Ladybug Tools", complément du plugin Grasshopper de Rhinocéros 3D, développée par l’équipe de Mostapha Sadeghipour Roudsari.

Optimisation

MESH combine au sein d’une même plateforme des algorithmes de génération, d’évaluation et d’optimisation. Les algorithmes de génération permettent de produire des variantes de la forme urbaine initiale selon des règles géométriques définies avec les urbanistes et architectes du projet, intégrant les contraintes de constructibilité et de programmation du site. Chaque variante est automatiquement analysée au regard des critères sélectionnés.

Des algorithmes d’optimisation multicritère de type évolutionnaire permettent d’activer une boucle de rétroaction : la performance agit sur la forme. L’algorithme guide ainsi le processus de génération des variantes en se rapprochant des solutions optimales.

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Optimisation monocritère sur 5 indicateurs sélectionnés pour ilot 4G (Ivry Confluences) ©MESH

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Optimisation multicritère sur 6 indicateurs sélectionnés pour ilot 3I/3N (Ivry Confluences): Nombre d'heures d'ensoleillement, Accès au ciel, Vis-à-vis, Niveau d'irradiation des façades, Vues sur le parc de la Confluence, Vues sur la Seine. ©MESH

NB : Le processus d’optimisation utilise à ce stade les bibliothèques d’algorithmes évolutionnaires mono/multicritères des plugins Galapagos (algorithme génétique monocritère, Rutten, 2010) et Octopus (SPEA-2, méthode élitiste basée sur Pareto, Ziztler 2001, et implémenté dans Grasshopper par Vierlinger, 2014).

Les plugins Goat 3.0 (implémentation sur Grasshopper de la bibliothèque opensource NLOpt, Rechenraum & Feasible) et Opossum (optimization solver with surrogate models, Wortmann, 2017, basé sur la bibliothèque RBFOpt) sont en cours d'exploration.

L'outil Design Explorer, développé par CORE Studio/ Thornton Tomasetti, permet de visualiser les individus générés par le processus. Les curseurs de sélection permettent de filtrer rapidement les morphologies urbaines répondant aux critères de performance définis avec l'équipe de conception et les décideurs.

OptimisationMulticritere_3I3N

Téléchargements

IBPSA 2016 poster