Aménagement urbain et architecture

Les maquettes numériques de ville offrent une visualisation réaliste de la ville telle qu'elle est actuellement, ou telle qu'elle pourrait être suite à un nouveau projet d'aménagement urbain. Elles permettent de jongler habilement entre les vues d'ensemble et des zooms plongeant l'utilisateur dans les rues, sur les toits, embarqué dans cette ville virtuelle tel un jeu vidéo à la première personne.

CityGML Visualisation - source: ArcGIS blog

Grâce aux différents Niveaux de Détail, il est possible de visualiser les différents étapes du nouveau projet urbain, du plan de masse (LoD1) à la conception détaillé (LoD4). Le cadastre peut être précisément géré, en 2D voire en 3D dans le cas de bâtiments chevauchant des infrastructures ou d'autres bâtiments. Ainsi une enveloppe spatiale, telle un container virtuel géant, peut être définie avant chaque construction, délimitant l'emprise au sol, la hauteur ainsi que la forme de l'édifice à construire. Basé sur des simulations d'ombre et ensoleillement, cette enveloppe peut aussi avoir l'objectif de contrôler l'impact d'un nouveau bâtiment ou îlot sur les bâtiments voisins en terme d'accès au soleil. Le même concept peut être développé avec des études de visibilité (vue sur la mer, sur un monument historique etc.).

En collaborant sur la même maquette numérique urbaine, la communication entre l'aménageur, le bailleur et l'architecte est rapide et transparente. De même, les populations touchées par le nouveau projet d'aménagement urbain peuvent impliqués au processus de réflexion et d'acceptation, ayant sous les yeux une impression très réaliste de ce qui les attend.

Analyse de Cycle de Vie de quartiers

La ville est un mix de bâtiments anciens, rénovés, nouveaux, déjà rasés ou à construire. À un moment donné se posera toujours la question, vaut-il mieux rénové, rasé et reconstruire, ou construire sur un terrain non bâti? L'Analyse de Cycle de Vie (ACV) y donne un élément de réponse en terme d'impact environnemental.
 
L'ACV quantifie les impacts environnementaux de tout produit en général, de l’extraction des matières à l’élimination de ses déchets, selon différents critères tels que les émission de CO2 ou les déchets (définition détaillée dans la norme ISO 14040). Appliquée aux quartiers, elle permet de mesurer l’incidence de choix urbains ou architecturaux sur l’environnement durant les quatre phases du cycle de vie du quartier :
  • construction (extraction des matières premières, production et transport des matériaux),
  • utilisation (chauffage, éclairage public, consommation d'eau, etc.),
  • rénovation (remplacement des composants : fenêtres, isolation, revêtements des bâtiments et des rues),
  • et démolition (transport et traitement des déchets).
    Cycle de Vie d'un bâtiment - source: inspiré de hqe

    Cycle de Vie d'un bâtiment - source: inspiré de hqe

 À noter que le bilan environnemental d’un quartier n’est pas simplement la somme des bilans des différents bâtiments qui le composent. En effet, il faut tenir compte des interactions entre bâtiments, que ce soit au niveau des masques solaires, des systèmes énergétiques mutualisés etc. Il faut aussi considérer les relations entre le quartier et le reste de la ville, voire la région, que ce soit concernant les réseaux (rendement du réseau d’eau, réseau de chaleur éventuel, canalisations d’eau potable et d’eaux usées, etc.), les transports (voiries, pistes cyclables, systèmes de transports, etc.), la gestion des déchets (décharge, usines de recyclage, incinérateur, valorisation énergétique éventuelle, etc.), le climat, les différentes sources de production d’électricité, de chaleur, les chaines locales d'approvisionnement en combustible comme le bois, le (bio-)gas etc.
 
Les données caratéristiques au quartier nécessaires à la réalisation de son ACV peuvent être en bonne partie extraites et stockées dans les maquettes numériques de ville : date de construction/rénovation/démolition, usage des bâtiments, géométrie et matériaux de construction etc. Ces données seront généralement croisées à des typologies de bâtiments ainsi qu'à des bases de données de matériaux et procédés (ecoinvent etc.).

Prérequis : Maquette numérique de ville (LoD2 ou plus), données de construction, rénovation, données macros au niveau de la région (mix énergétiques, filières d'approvisionnement etc.)

Initiatives & contacts

ZAC Claude Bernard à Paris

  • http://www.erudit.org/revue/eue/2011/v5/n/1007605ar.pdf

 

 

 

 

Couverture des réseaux sans fil et exposition magnétique

Les maquettes numériques de ville permettent de simuler la propogation des ondes électromagnétiques en milieu urbain, et ainsi planifier avec précision le déploiement des réseaux de télécommunications sans fil (téléphonie mobile, wifi...).

Exposition au champs électromagnétique à Nîmes - source: Siradel

Exposition au champs électromagnétique à Nîmes - source: Siradel

En fonction de données géostatistiques (ex: utilisation des transports, données de consommation) et socio-démographiques (ex: nombre et âge moyen des habitants et travailleurs du quartier), les hotspots d'utilisation de ces réseaux peuvent être prédits, permettant d'optimiser la couverture du réseaux.

En parallèle, l'exposition des populations à ces ondes électromagnétiques peut être objectivement calculée dans tous les espaces urbains, à l'extérieur comme à l'intérieur des bâtiments. Ainsi, certaines antennes relais pourront être déplacées, afin de minimiser la pollution électro-magnétique à proximité des lieux les plus vulnérables (crèches, écoles etc.).

Prérequis: Maquette numériques de ville LoD1, positionnement des antennes relais.

 

Initiatives & liens

Société Siradel

Bruxelles Environnement

  • Atlas Environnement : Simulation 3D du champ électromagnétique (webgis)

 

Étude d’éclairages nocturnes

Les éclairages nocturnes des monuments ont toujours mêlé art et technique. Une image nocturne originale et personnalisée peut être modelée en jouant sur le positionnement des sources lumieuses, les effets d'ombrages, les niveaux d'éclairage et les températures de couleurs.

Simulation d'éclairage à Stuttgart - source: InGeoForum

Simulation d'éclairage à Stuttgart - source: InGeoForum

Auparavant, cet habit de lumière était obtenu à tâtons en comparant quelques variantes en conditions réelles pendant la phase de planification. Dorénavant, des logiciels utilisant les modèles 3D de bâtiment et de ville permettent d'explorer de nombreux scénarios d'illumination au rendu particulièrement réaliste. Les données physiques réelles telles que le coefficient de réflexion des facades, les sources de lumière et leur dispersion sont précisément prises en compte. Comme la création et l'optimisation de l'éclairage est entièrement assistée par ordinateur, le travail et les retouches nocturnes sur place sont minimisées.

La simulation d'éclairage basé sur les maquette numérique de ville ne s'applique pas seulement au patrimoine historique mais peut toucher tout l'éclairage public en général. Que ce soit pour ajouter des lampadaires dans des lieux sombres comme prévention contre la criminalité, ou au contraire réduire la pollution lumineuse pour favoriser la biodiversité et faire accessoirement des économies d'énergie, simuler ces différents scénarios en réglant virtuellement les sources lumineuses permettra de faire des économies d'échelles en obtenant directement le résultat voulu sur le terrain.

Prérequis: Maquette numérique de ville LoD3 avec texture, terrain et végétation

Simulation et prévention des Inondations

À l'aide de maquette numérique de ville intégrant un modèle de terrain (DGM) ainsi que des données concernant le réseau d'évacuation des eaux, celui-ci peut-être testé virtuellement dans le cas de forte pluie ou d'une crue importante.
 
Simulation d'inondation à Dresdre - Ville de Dresdre

Simulation d'inondation à Dresdre - Ville de Dresdre

Ces simulations dynamiques permettent de prédire les dégâts occasionnés par des inondations, tester des mesures de prévention, optimiser les dispositifs de drainage (digues, bassins de retenue, station de pompage etc.) et organiser les secours et l'évacuation des lieux le cas échéant.
 
Pré-requis: Maquette numérique de ville  (au moins LoD1) incluant un modèle de terrain de haute résolution ainsi que des données concernant le réseau d'évacuation des eaux et des historiques de forte pluie et crues du siècles.
Initiatives & contacts

Web3D Interface

Planification de la transition énergétique

Les maquettes numériques de ville offrent de formidables outils pour coordonner les différents acteurs et initiatives autour de la transition énergétique.

Consommation des bâtiments de la ville de Ferrara - source: projet Sunshine

Consommation des bâtiments de la ville de Ferrara - source: projet Sunshine

Elles permettent de comparer et décider des meilleures stratégies bas-carbone, puis de monitorer leur progression au fil des années pour atteindre l'objectif final : la neutralité carbone en 2050 pour la France et 21 autres pays (feuille de route approuvée à la COP22).

Basé sur ces modèles, les preneurs de décisions ont entre leurs mains toute une batterie de simulations et d'analyses interconnectées, utiles pour chaque phase du plan de transition énergétique :

Ces analyses qui s'appliquent à l'échelle urbaine, voire régionale, ont une granularité très fine (chaque bâtiment est modélisé individuellement de facon réaliste) et des résultats particulièrement fiables si les données utilisées sont de bonne qualité. Cela rend possible la rencontre de considérations macro (plan à l´échelle du quartier ou de la ville, évolution du mix énergétique) et micro (rénovation individuel de logement, installation de panneaux solaire sur le toit, connection au réseau de chaleur).

Pour la transition énergétique, le résultat importe tout autant que le chemin pour l'atteindre. En particulier pour les scénarios de rénovation énergétique des bâtiments, l'impact de différents taux de rénovation (pourcentage de bâtiments rénové par an) ainsi que différentes priorités de rénovation (en fonction de l'âge, de la consommation de chaleur, du potentiel d'économies d'énergie du bâtiment, ou de la pauvreté énergétique) pourront être comparés.

Enfin, l'acceptation et l'implication dans cette réflexion des différents acteurs urbains, dont les populations, est essentielle. Différents outils collaboratifs permettant de s'immerger dans ces maquettes numériques de ville et ainsi visualiser la transition énergétique pourront être utilisés : touchtable, interface web 3D, réalité augmentée etc.

Prérequis: Maquette numérique de ville (LoD2 au moins), données sur l'état énergétique des bâtiments et des systèmes.

Initiatives & contacts

Plan Énergie Climat Territoire du Comté de Ludwigsburg

  • Klimaschutzkonzept (Plan Énergie Climat Territoire) des 32 communes du Comté de Ludwigsburg (500.000 habitants)
  • Partenaires : HFT Stuttgart, Drees & Sommer, Landkreis Ludwigsburg
  • Contacts : Volker Coors, Romain Nouvel (HFT Stuttgart).

Rotterdam:

  • Estimation des besoins de chaleur, émission CO2 et scénarios de rénovation de ~1000 bâtiments du quartier Bospolder de Rotterdam (Rapport).
  • Partenaires : HFT Stuttgart, City of Rotterdam
  • Contacts : Romain Nouvel, Volker Coors (HFT Stuttgart)

Tracé et dimensionnement optimisé de réseaux de chaleur urbains

Le procédé de planification ou d'extension de réseau de chaleur urbain commence généralement par une analyse des potentiels de besoin de chaleur. S'ensuit le tracé du réseau généralement à la règle le long de rues principales. Ensuite vient le concept de production de chaleur qui couvrira les besoins (avec un confortable facteur de surdimensionnement), pour finir sur l'optimisation du tout et en particulier des coûts.layoutnetwork2

Ce procédé (quasi)-centenaire est encore très fragmenté, mêlant des outils de calcul très divers, une gestion de données "semi-manuelle", des décisions au doigt mouillé basées sur l'expérience. A celà s'ajoute des inconnues telles que : quelle proportion des foyers se connecteront au réseau ? Quelle proportion des bâtiments seront rénovés (et verront donc leur besoin de chaleur baissé drastiquement) les prochaines années? Est-ce que la demande de chaleur sera toujours assez forte le long du réseau? Du fait de cette complexité, les opérateurs de réseau de chaleur se bornent aux centres villes, si possible proche de bâtiments énergivores, pour être certain d'assurer leur rentabilité. Alors que plusieurs projets ont prouvé leur rentabilité à connecter des quartiers de maisons passives et basse consommation.

Les maquettes numériques de ville représentent une nouvelle génération d'outils de planification, plus automatique et intégrée que la méthode traditionnelle, capable de trouver des solutions quasi-optimales aux problèmes posés.

Les maquettes numériques CityGML regroupent en particulier les modèles de bâtiments, de terrain et sous-terrain, de transport (sinon importable depuis openstreetmap) et bientôt des modèles de réseaux urbains (Thematic Module UtilityNetwork à venir dans la nouvelle version CityGML 3.0). La 3D permet de modéliser précisément le parcours du réseau dans le sous-sol, prenant en compte les autres réseaux souterrains ainsi que la géologie locale.

En combinant les besoins thermiques géo-localisés calculés précisément pour chaque bâtiment, un plan des rues digitalisé et quelques paramètres de coût et contraintes bien senties (pour une tranché le long d'une rue, le parcours d'un terrain privé ou d'une cave etc.),  et en faisant tourner le tout avec un algorithme de théorie des graphes couplé à un logiciel professionel de dimensionnement et simulation de réseaux de chaleur,  il sera possible de génére automatiquement un tracé et dimensionnement de réseau de chaleur optimisé. À partir de là, de nombreuses variantes sont possible : simulation de différents taux de connection, de différents scénarios de rénovation/construction/densification à moyen terme, de critères de connection etc... les possibilités sont infinies.

Prérequis : Maquette numérique de ville 3D LoD1/LoD2, modèle de terrain, données du réseau si existant (plan, niveau de température etc...)

Initiatives & contacts

SIMSTADT, Plateforme de simulation énergétique urbaine

Plateforme AixLib (Allemagne)

  • Dévelopeur: RWTH Aachen - E-ON Research center
  • Contact : Moritz Lauster

Analyse de microclimats urbains et îlot de chaleur

Les formes urbaines, les matériaux de surfaces, la présence de végétation et de plans d'eau et la concentration d'activité humaine ont une influence réelle sur le microclimat urbain. En particulier, les morphologies urbaines denses forment des "pièges à radiations solaires et thermiques" pendant que les surfaces des bâtis absorbent et stockent une partie de cette énergie.

Screenshot logiciel CitySim - source: Kaemco

Screenshot logiciel CitySim - source: Kaemco

Ce microclimat se caractérise le plus souvent par des températures plus hautes dans les centre villes que à leur périphérie, phénomène appelé îlot de chaleur urbain. En hiver, ce sont donc des températures plus douces et ainsi des consommations de chauffage moins élevé qu'en milieu rural, mais aussi des pics de chaleur accentués en été, parfois suffoquant. Plus qu'une simple source d'inconfort thermique pour les citadins, l'îlot de chaleur urbain est en train de passer au centre des préoccupations politiques et sociales, afin de limiter les conséquences sanitaires des canicules qui devraient se multiplier dans les zones tempérées dans les années à venir selon le GIEC.

Prédire avec précision les micro-climats liés aux nouveaux aménagements urbains est donc un enjeu capital. Prendre en compte toutes ses facettes et leurs intéractions requiert une combinaison de modèles physiques plutôt complets et complexes (modèles thermo-radiatifs, aérauliques, évapo-transpiratifs et effets anthropiques). Ceux-ci se basent sur la géométrie 3D des bâtiments, leurs matériaux de construction et son mode d'occupation, mais aussi des données sur leur environnement, la végétation, les sols, l'activité humaine (en particulier les transports) etc... autant de données que peuvent délivrer les maquettes numériques de ville CityGML.

Coupe schématique de visualisation des températures en 2008 pour une nuit de canicule - source : Groupe DESCARTES

Coupe schématique de visualisation des températures en 2008 pour une nuit de canicule - source : Groupe DESCARTES

Prérequis: Maquette numérique de ville (LoD1 au moins), données sur l'état énergétique des bâtiments, la végétation, les plans d'eau, l'activité humaine.

Initiatives & contacts

SOLENE, dévelopment d'une plateforme d'outils de simulations du microclimat urbain.

CITYSIM, logiciel de simulation énergétique urbaine

Prévention des dégâts liés à une explosion

La simulation en 3D d'une onde de choc dans une modèle numérique de ville permet de prédire l'impact d'une explosion en milieu urbain.

Simulation d'explosion dans le centre de Francfort - Source : VirtualCitySystems

Simulation d'explosion dans le centre de Francfort - Source : VirtualCitySystems

Ces simulations permettent d'identifier les zones urbaines sensible où une bombe de la 2ème guerre mondiale oubliée, l'explosion d'une canalisation de gaz ou encore un engin explosif criminel causerait des dégâts importants sur les personnes et les bâtiments environnants.

L'objectif est aussi de préparer et tester le cas échéant l'évacuation du site, sa sécurité et la coordination des premiers secours.

Prérequis : Maquette numérique de ville (au moins LoD1), données de construction des bâtiments et localisation de lieux sensibles

Initiatives & contacts

Projet Detorba (2013 - 2015, Allemagne)

Simulation de transport et missions

Les maquettes numériques de ville offrent un terrain de jeu fidèle à la réalité pour les simulateurs de transport (pompiers, ambulanciers, militaires etc...), qui entrainent le personnel à divers scénarios de missions. Ces simulateurs permettent à leur utilisateur d'approfondir la connaissance des lieux de mission et de les préparer à réagir à des conditions difficiles (météo, embouteillage ou accident de transport etc...). Ils permettent aussi de tester et comparer auprès des professionnels de nouvelles mesures (extension de ligne de transport, nouveaux panneaux de signalisation etc...) avant de les appliquer sur le terrain.

Simulateur de tram de Berlin - source: Berliner Verkehrsbetriebe AG

Simulateur de tram de Berlin - source: Berliner Verkehrsbetriebe AG

Chaque niveau de détail des maquettes numériques trouvent son application : LoD1 sera réservé pour les simulateurs de vols et de bateaux, alors que LoD2 et LoD3 seront adaptés aux simulateurs de transport et d'interventions en milieu extérieur. Pour un entrainement aux interventions à l'intérieur des bâtiments (pompier, militaire etc...), un LoD4 sera nécessaire.

Prérequis : Maquette numérique de ville (LoD dépendant de l'application) et de terrain incluant les transports, la végétation, et des modèles dynamique (personnes et véhicules)

Initiatives & contacts

Group Rheinmetall Defence