Groupe de recherche

Ambiances physiques (GRAP)

Ciel artificiel

Avantages
Simulation analogique de la lumière
Le ciel artificiel de type boîte-miroir
Les maquettes
Mesure de la lumière
Sondes photoélectriques
Références

 

Pièce 1

Le ciel artificiel est un outils validé scientifiquement et utilisé dans plusieurs laboratoires d’études d’éclairage reconnus mondialement, dont le GRAP. Il simule les conditions diffuses d’un ciel couvert, dominantes dans 63% du temps au Québec et dans la majeure partie du Canada [Demers, 2001]. Il est particulièrement adapté aux besoins des architectes dans l’intégration de stratégies d’éclairage naturel, assurant un lien étroit entre les différentes étapes de conception du projet architectural et les besoins particuliers en éclairage. Il convient à l’étude de tout type d’espace dont bureaux, atria, salles de cours, musées, bibliothèques, et commerces.

Le ciel artificiel de type boîte-miroir du GRAP permet de simuler un ciel diffus, condition critique en éclairage naturel. La construction de ce nouveau ciel artificiel de grande dimension 2,4m x 2,4 m x 2,4m permet de simuler la lumière d’un ciel diffus avec encore plus de précision. L’équipement permet en outre d’utiliser de grandes maquettes. Ce projet a été réalisé grâce à l’appui financier du CRSH pour le projet Adaptive Architecture 2009-2012.

Avantages

+ Permet l’analyse qualitative et quantitative de la lumière
+ Approche tactile, propre à la pratique architecturale
+ Permet la modélisation de géométries complexes avec la plus grande précision
+ Visualisation rapide des espaces à l’aide de photographies ou de vidéos
+ Les maquettes sont facilement transformables et adaptables


Simulation analogique de la lumière

Lorsqu’une évaluation quantitative de la lumière naturelle dans un espace est requise, le concepteur a le choix d’utiliser l’analyse photométrique en maquette ou des méthodes de calculs. L’avantage de la méthode par modélisation est l’apport d’une dimension qualitative à l’étude [Spitzglas et al., 1985]. Elle a le potentiel théorique de s’accorder à tout problème de design et n’est limitée que par la qualité de représentation en maquette et la précision des instruments de mesure photométrique. La physique de l’illumination est telle que la lumière se comporte de manière identique indifféremment de l’échelle de l’espace [Lam, 1986]. Le facteur de réduction d’échelle absent, les mesures photométriques pour des espaces proportionnellement identiques sont les mêmes. L’étude de la lumière par modélisation en maquettes permet tant l’analyse qualitative que quantitative de l’éclairage ambiant d’un espace peu importe son degré de complexité [Robbins, 1986]. La simulation du ciel diffus par une source constante d’éclairage artificiel d’environ 7 000 lux correspond à la moyenne de disponibilité lumineuse de plusieurs villes du Canada [Demers, C., 1992].

ciel-perigny-boucher

Intérieur d’une maquette photographiée dans le ciel artificiel du GRAP, Université Laval. Élisabeth Boucher et Isabelle Périgny, étudiantes de maîtrise. Direction: C Demers et A Potvin.

Le ciel artificiel de type boîte-miroir

Le ciel artificiel consiste en une boîte-miroir, construite d’après les spécifications de Ann Airy [1983] à l’Université de Washington, elle-même inspirée des recherches de Hopkinson et al. [1966]. L’intérieur de la chambre de simulation mesure 2,4m x 2,4 m x 2,4m. Un ciel artificiel de dimensions identiques est présentement utilisé à UCLA [Milne, 1992]. Les tubes fluorescents utilisés sont de type « daylight », lumière du jour, et l’élément diffusant est constitué d’une feuille d’acrylique opalescente de couleur blanche (W2447, épaisseur 3mm). L’ajout d’une porte au modèle proposé par Airy permet une ventilation accrue et évite l’emplir de ventilation mécanique pour évacuer la chaleur dégagée par les fluorescents. D’autre part, cela facilite les manipulations en maquettes entre les expériences. Deux trappes d’aération soont situées dans la section supérieure de la boîte contenant les tubes. Le sol du ciel est peint de couleur gris neutre 18% correspondant à la référence photographique connue [Roger, 1992]. La couleur grise a été reproduite grâce à une technique de lecture numérique des couleurs maintenant accessible chez les détaillants de peinture. La courbe de luminance du ciel artificiel respecte celle de la CIE (Commission Internationale de l’Éclairage) pour un ciel couvert et produit un éclairement d’environ 7 000 lux.

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Étudiants de M.Arch. : Catherine d’Ambroise, Pierre-Alexandre Lemieux, Pascale Ouellet-Dompierre

 

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Étudiants de M.Arch. : Catherine d’Ambroise, Pierre-Alexandre Lemieux, Pascale Ouellet-Dompierre


Les maquettes

Les maquettes sont construites selon les directives du DNNA (Daylighting Network of North America) tel que décrit dans Schiler [1987], et aussi selon Littlefair [1992]. Comme le principe de la boîte-miroir est celui des réflexions infinies de l’horizon, la seule erreur significative est liée au problème engendré par les réflexions multiples de la maquette dans les miroirs [Littlefair, 1989, p.45]. Il est donc impératif que les surfaces extérieures de la maquette soient spéculaires ou du moins de très grande réflectance [Loveland et Naavab dans Schiler, 1987].

La dimension d’une maquette est limitée par la dimension du ciel artificiel. En conditions externes, aucune limite dimensionnelle ne s’impose. Le ciel artificiel de Airy [1983] peut accueillir des maquettes de 457mm tout en conservant des résultats expérimentaux satisfaisants. Selon Littlefair [1989; 1992], un ciel artificiel de 5m x 5m peut accueillir une maquette de 1,5m à 2m. Le ciel de 2400 x 2400mm peut donc accueillir une maquette de 720 à 960mm. Le cadrage de la photo est limité par la dimension de la maquette et de la focale de l’objectif photographique. La vue désirée dans le cas présent est celle du mur entier ainsi qu’une partie des surfaces latérales contiguës afin de capter l’ambiance générale du lieu et l’environnement du mur. La dimension finale du prototype expérimental est donc de 670 x 910 x 457mm. Une amplitude formelle est incluse en prévision des modifications à la boîte qui s’imposeront en cours d’expérimentation. La boîte est construite de manière à permettre la conversion rapide du zénithal au latéral et offre la possibilité de combiner les deux types d’éclairage. La réflectance des parois extérieures est maximale, soit un blanc brillant alors qu’il est possible de modifier les réflectances internes de la boîte en insérant différents types de matériaux.

Les maquettes utilisées pour les études en ciel artificiel peuvent aussi produire servir aux études d’éclairage naturel assistées d’un héliodon simulant la position exacte du soleil.

Ciel Libeskind

Études en ciel artificiel maquette du Musée Juif de Berlin. Ci-bas, intérieur de la même maquette. Étudiants gradués (M.Arch.): Bérubé, Danis et Hovington.


Sondes photoélectriques / Photolectrical cells

Des sondes photosensibles pouvant être utilisées à l’intérieur de maquettes, soit en ciel artificiel ou en milieu réel afin de valider les modèles de prédiction sont utilisées. Ces sondes peuvent aussi permettre une analyse de la lumière dans un espace existant avec une grande précision avant d’y établir des améliorations.

Photosensitive probes can be used within the models, under a real or artificial sky, to validate the prediction models that are used. These probes may allow daylighting analysis within an existing space with great accuracy before improvements are suggested.

Héliodons

Un héliodon

permet de vérifier des conditions d’éclairage en soleil direct à différents moments du jour et de l’année. L’avantage de cet outils est qu’il est facilement transportable et simple d’utilisation. Il procure d’autre part une interaction plus directe avec la maquette. L’école possède divers modèles d’héliodons, dont un modèle sur table utilisable avec un simulateur de soleil. Il est aussi possible d’assembler un héliodon portatif pour une latitude en particulier, ou plus simplement d’utiliser notre héliodon de latitude 46° Nord, correspondant environ à celles de villes telles Québec, Lyon, Genève et Milan.

A heliodon can check the sunlighting conditions under a direct sun at different times of day and year. The advantage relies in its portability and ease of use. It also provides a more direct interaction with the model. The school has various types of heliodon, including a table mount for use with a sun simulator. It is also possible to assemble a portable heliodon latitude in particular, or simply use our heliodon of latitude 46 degrees north, roughly corresponding to those of cities like Quebec, Lyon, Geneva and Milan.

 

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