Architecture Cinétique Adaptative

ARCHITECTURE CINÉTIQUE ADAPTATIVE

Le Mémoire de Master rédigé par Maxence Fromentin, Sous la direction d’Elodie Nourrigat, Professeur

2020 2021

Source de l’illustration de la page de garde : archdaily.com

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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Quelles performances la mise en mouvement d’un bâtiment permet-elle d’atteindre ?

Les résultats des performances obtenues révèlent-ils une véritable différence par rapport à une architecture statique ?

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REMERCIEMENTS

Je tiens tout d’abord à remercier Elodie Nourrigat, professeur ayant encadré mon mémoire et qui, par son suivi et son jugement, m’a aidé à trouver un sujet de mémoire qui me passionne et à avancer dans la bonne direction.

Je remercie également les membres du jury pour le temps consacré à la lecture de ce mémoire ainsi que pour leur écoute attentive de ma présentation orale.

Je souhaite aussi remercier Christel et Didier Fromentin pour avoir relu mon mémoire avant sa finalisation, ainsi que mes camarades Julia, Pauline, Romain et Martin pour leurs avis qui m’ont été d’une grande aide.

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PRÉAMBULE

En tant qu’étudiant en architecture, j’ai depuis la première année été fasciné par les nouvelles possibilités qu’apportent l’informatique dans la conception et la communication de projets d’architecture. Cet intérêt a été renforcé grâce aux travaux que j’ai effectués en cours d’informatique, ainsi que par la suite avec la conception paramétrique d’une façade complexe pour un projet de Master. J’ai également été captivé par l’analyse des travaux conceptuels du groupe « Archigram » proposant un bâtiment, une ville flexible, en perpétuel mouvement, ainsi que par les innovations liées au biomimétisme. Ce rapport au vivant induit un rapport au mouvement, ce qui m’a donné matière à réflexion quant au choix de mon thème de mémoire. Le thème « architecture cinétique adaptative » est issu d’un intérêt sur les possibilités des nouvelles technologies en architecture. Un domaine que je souhaite approfondir à la suite de mon master, en tentant d’intégrer le mastère spécialisé « Design by Data » de l’Ecole des Ponts ParisTech, qui me permettra d’étudier la conception paramétrique, le design de façades complexes, la robotique, ainsi que l’intelligence artificielle dans le cadre de projets d’architecture et d’urbanisme.

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SOMMAIRE REMERCIEMENTS............................................................................... 4 PRÉAMBULE...................................................................................... 5 RÉSUMÉ ............................................................................................ 8 INTRODUCTION .................................................................................. 9 LA PLACE DU MOUVEMENT EN ARCHITECTURE ...................................12 I.1 / HISTOIRE DU MOUVEMENT EN ARCHITECTURE ................................................. 13 I.1.a / Première réalisation d’architecture cinétique .................................................... 13 I.1.b / Expérimentations du XXème siècle ...................................................................... 14 I.1.c / Courants de pensée d’une architecture en mouvement ................................... 18 I.2 / DEFINITIONS ET CONCEPTS ............................................................................ 21 I.2.a / Architecture Intelligente .................................................................................... 21 I.2.b / Architecture Interactive .................................................................................... 22 I.2.c / Architecture Réactive ........................................................................................ 24 I.2.d / Architecture Cinétique Adaptative .................................................................... 25 I.3 / LES DIFFÉRENTES SOLUTIONS D’ARCHITECTURE CINÉTIQUE ADAPTATIVE ......... 31 I.3.a / Systèmes cinétiques structurels ....................................................................... 31 I.3.b / Architecture cinétique intérieure ...................................................................... 34 I.3.c / Façades cinétiques ............................................................................................37

ARCHITECTURE CINÉTIQUE ADAPTATIVE ET PERFORMANCES ............. 38 II.1 / ADAPTATION SPATIALE .................................................................................39 II.1.a / Glissement ........................................................................................................ 39

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II.1.b / Rotation ............................................................................................................. 44 II.1.c / Déformation ...................................................................................................... 46 II.2 / ADAPTATION ENVIRONNEMENTALE ............................................................... 48 II.2.a / Systèmes cinétiques intégrés .......................................................................... 48 II.2.b / Façades cinétiques .......................................................................................... 50 II.3 / ÉTUDE DE CAS : AL BAHAR TOWERS .............................................................. 54 II.3.a / Conception de la façade .................................................................................. 55 II.3.b / Le système mécanique informatisé ................................................................ 56 II.3.c / Avantages et performances ............................................................................. 58

LES NOUVELLES POSSIBILITÉS DU BIOMIMÉTISME.............................. 62 III.1 / LE BIOMIMÉTISME EN ARCHITECTURE............................................................ 63 III.1.a / Définitions et enjeux ......................................................................................... 63 III.1.b / Applications biomimétiques en architecture .................................................. 66 III.1.c / Intégration du biomimétisme à l’architecture cinétique ................................. 68 III.2 / BIOMIMÉTISME CINÉTIQUE ACTIF .................................................................. 70 III.2.a / Inspiration d’un organisme.............................................................................. 70 III.2.b / Inspiration d’un comportement ...................................................................... 73 III.2.c / Inspiration d’un écosystème ........................................................................... 76 III.3 / BIOMIMÉTISME A L’ÉCHELLE MICROSCOPIQUE ............................................... 78 III.2.a / Peau hygro-sensitive ....................................................................................... 78 III.2.b / Peau thermo-sensitive ..................................................................................... 81 III.2.c / Peau organique vivante ................................................................................... 83

CONCLUSION .................................................................................. 86 BIBLIOGRAPHIE ............................................................................... 90 TABLE DES ILLUSTRATIONS.............................................................. 96

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RÉSUMÉ Ce mémoire aborde dans un premier temps la place du mouvement dans l’architecture.

Cette étude passe d’abord par un historique de différents projets ayant été des précurseurs dans les procédés cinétiques, notamment au XXème siècle, qui a été une époque d’expérimentations. Outre les projets employant le mouvement, ce sont également les courants de pensée développés durant ce siècle qui ont servi d’inspiration à nos réalisations modernes. Cet historique permet d’installer le thème, suivi d’une partie définissant les nuances que l’on retrouve en architecture cinétique, un travail essentiel permettant de définir plus précisément le sujet à développer par la suite. Nous verrons donc que le terme « architecture cinétique » renvoie à un domaine d’étude bien trop vaste pour ce mémoire.

Après une exploration des définitions, détaillées par des exemples de projets, nous retiendrons le terme « architecture cinétique adaptative » comme thème de développement, qui désigne toute architecture en mouvement s’adaptant à divers facteurs, tels que l’adaptation spatiale par rapport à l’homme, actionnée par celui-ci, ou bien l’adaptation environnementale, qui capte les informations de son environnement et renvoie une réponse issue d’un système informatisé intelligent. C’est également la question des performances qui sera traitée, pour justifier quantitativement si l’architecture cinétique adaptative est une solution viable pour la réduction de la consommation énergétique des bâtiments. Divers projets seront analysés, tous ayant des spécificités couvrant toutes les possibilités de l’architecture cinétique adaptative. Une étude de cas sera également faite sur un projet de grande envergure, permettant de détailler l’inspiration, la conception, le système structurel, le système informatisé, ainsi que les performances atteintes de ce projet.

Enfin, nous explorerons le domaine du biomimétisme, s’entremêlant avec l’architecture cinétique adaptative pour proposer des solutions innovantes qui seront amenées à se développer dans le futur. Nous définirons ce lien, ainsi que les subtilités des différentes échelles de l’inspiration biomimétique, et ce qu’elles peuvent apporter de plus qu’une conception traditionnelle.

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INTRODUCTION À l’heure des progrès en informatique, certains projets d’architecture intègrent une nouvelle variable qui est le rapport à son environnement, et sa sensibilité aux signaux qu’il en perçoit (température, rayons lumineux, vents…). Cette caractéristique permet de répondre à ces stimuli soit par une structure pensée pour être mise en mouvement, soit par des dispositifs de façade dynamiques constituant une double peau sensible. Cet ensemble de solutions permettant de créer le mouvement, est désigné comme étant de “l’architecture cinétique”. L’architecture cinétique regroupe un certain nombre d’applications différentes, toutes n’ayant pas les mêmes finalités. Il convient donc de définir correctement ce terme, et si nécessaire, de l’adapter pour qu’il corresponde plus précisément au sujet étudié. Le terme “cinétique” évoque « toute chose qui se rapporte ou qui est dû au mouvement ». 1 Associé à l’architecture, il désigne toute réalisation de bâtiment ayant une conception pensée pour le mouvement. Ce qui peut à la fois se matérialiser en un intérieur modulable, un stade avec un toit amovible, une tour de bureaux avec une façade dynamique ou encore une maison pivotante, pour citer quelques exemples. Nous nous intéresserons dans ce mémoire à une mise en mouvement résultant d’une réaction à l’homme (spatiale) ou aux facteurs météorologiques (environnementale).

C’est cette adaptation qui caractérise plus particulièrement ce que va étudier ce mémoire, une « architecture cinétique adaptative ».

L’apport de ce mouvement peut être abordé de deux manières différentes : une approche « pragmatique » ou « humaniste ». 2 L’approche humaniste se préoccupe de la façon dont le mouvement dans nos environnements architecturaux nous affecte physiquement. On aborde alors le thème du « confort », dépendant de chaque individu.

Les applications pragmatiques concernent la résolution des besoins et l’optimisation des solutions. Les implications générales de l’utilisation de tels systèmes dans l’architecture comprennent, mais ne se limitent pas à l’efficacité de l’espace, l’abri, la sécurité, le transport, la sécurité, ainsi que l’économie. Les différentes applications d’une adaptabilité

1

Définition CNRTL, www.cnrtl.fr/definition/cinetique

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FOX M., KEMP A., Interactive Architecture, Princeton Architectural Press, 4 février 2009, p30 Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM

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pragmatique vont de la création d’un bâtiment doté d’une pleine mobilité, à la reconfiguration intérieure. Nous allons démontrer l’efficacité du mouvement par des exemples concrets, par l’analyse quantitative de leurs performances.

Ces dernières années, de nombreuses réalisations basées sur ce concept ont été produites. Le changement des changements climatiques nous affecte de plus en plus et tend à faire évoluer nos modes de vie. Gary Brown évoque que « les questions écologiques réintroduisent

l’importance

d’une

interaction

architecturale

appropriée

avec

l’environnement local et universel, dans lequel il est construit ». 3 Un bâtiment s’adaptant à son environnement, peut atténuer son impact par un mouvement adoptant des stratégies d’économie d’énergie, telles que leur l’automatisation de leur orientation ou ouverture, dans le but de maximiser les apports lumineux et thermiques du soleil, en évitant un gain de chaleur qui peut entraîner l’utilisation de la climatisation. Une fois qu’un bâtiment est situé et configuré pour des possibilités solaires passives en termes de chauffage, de refroidissement et de lumière naturelle, il peut être optimisé davantage avec un système dynamique qui va lui permettre de s’ajuster tout au long de la journée pour satisfaire au mieux les besoins de l’utilisateur, avec plus d’efficacité qu’un système statique. 4 Quelles performances la mise en mouvement d’un bâtiment permet-elle d’atteindre ? Les résultats des performances obtenues révèlent-ils une véritable différence par rapport à une architecture statique ?

Je m’intéresserai tout d’abord dans cet écrit, à l’histoire du mouvement en architecture et comment elle a su trouver sa place à travers les siècles. J’expliquerai quelles sont les différents types de mouvement en architecture et quels sont ceux qui seront traitées en profondeur dans ce mémoire. Nous explorerons principalement les possibilités qu’offrent le mouvement pour améliorer les performances d’un bâtiment, dans une époque où la conception des projets d’architecture doit évoluer, pour répondre aux enjeux du réchauffement climatique. Dans une dernière partie, nous étudierons le mouvement par

3

BROWN Gary, Introduction to Transportable Environments, 2003

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FOX M., KEMP A., Interactive Architecture, Princeton Architectural Press, 4 février 2009, p30,

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le biais du biomimétisme architectural, un domaine prometteur, dans lequel l’architecture se conçoit selon des modèles observés dans la nature, dont l’application dans un projet présenterait des avantages certains.

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01.

LA PLACE DU MOUVEMENT EN ARCHITECTURE

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© Archigram

I.1 / HISTOIRE DU MOUVEMENT EN ARCHITECTURE Ce chapitre va s’intéresser à l’histoire du mouvement en architecture, pour comprendre de quelle manière et dans quels buts le mouvement a fait son apparition dans les constructions. Il sera aussi question de découvrir à quel moment nous sommes passés d’une architecture cinétique actionnée par l’homme, à une automatisation de ces systèmes grâce à la mécanique et l’informatique. Une approche philosophique par les courants de pensée est également nécessaire pour ensuite pouvoir comparer ces théories du XXème siècle, aux réalisations actuelles. Enfin, il est nécessaire de définir quels sont les différents types de mouvement que l’on peut retrouver dans les projets de notre époque et ainsi pouvoir établir lesquels seront traités, pour leur lien avec la recherche de « performances » et leur faculté d’adaptation.

I.1.a / Première réalisation d’architecture cinétique Les premières réalisations cinétiques en architecture remontent aux temps de l’Empire Romain. Ils employaient des toits mobiles en tissu, pour protéger les théâtres et amphithéâtres, afin d’apprécier le spectacle à l’ombre. Ce fut le cas pour le Colisée malgré ses dimensions importantes, pour lequel un toit était indispensable pour éviter d’être torturé par une longue exposition un soleil. Ce toit pour le Colisée était un défi technique inédit, tout d’abord par la taille du toit qu’il faudrait déployer, mais aussi pour le rendre mobile. Malheureusement, cette technique s’est perdue à travers les âges, ne nous laissant qu’une vague idée de son fonctionnement.

Surnommé le « Velarium » (signifiant « voile » en latin), il était composé de plusieurs morceaux de tissus assemblés et tenus par un ensemble de cordes organisées en toile, le tout soutenu par 240 mâts 5 en bois, également espacés. Ce toit était légèrement incliné vers le bas avec une grande ouverture centrale. Ainsi, les spectateurs étaient protégés du soleil mais le spectacle de gladiateurs restait éclairé. Le toit utilisait le même tissu que

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http://www.velario-colosseo-velarium-colosseum.com/ Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM

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celui des voiles des galères. La complexité du système et sa fragilité nécessitait qu’il soit manipulé par des marins confirmés et était d’ailleurs considéré comme une mission prestigieuse.

Figure 1 - Colisée de Rome aux siècles des Césars

Figure 2 - Colisée de Rome en 2019

(Source :http://www.velario-colosseo-velarium-colosseum.com/)

(Soucre : photographie personnelle)

I.1.b / Expérimentations du XXème siècle C’est ensuite en grand bond dans le temps que nous devons effectuer pour trouver d’autres réalisations d’architecture cinétique notables. Le développement du mouvement mécanique suite à la révolution industrielle, a entraîné une tendance à la mobilité et aux changements constants, des thèmes qui se sont succédé à cette époque dans la littérature, les arts, le design industriel, mais également l’architecture.

En 1903, la maison rotative dite “héliotrope” est dévoilée par l’architecte Eugène Pettit à l’Exposition de l’Habitation de Paris. 6 Un modèle basé sur la maison qu’il a construite dans le sud de la France, la “Villa Tournesol”. De larges ouvertures en façade font entrer de la lumière. Pour avoir cette lumière en permanence dans la pièce désirée, la maison a été construite sur un plateau tournant, dont il fallait actionner un levier pour la faire tourner.

Ce dispositif a été conçu pour l’apport solaire, avec la conviction de l’époque que le soleil permettait de guérir la plupart des maladies. Pour suivre la course du soleil, l’usager devait actionner un levier toutes les heures pour faire pivoter la maison de quelques centimètres.

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RANDL Chad, Revolving Architecture: A History of Buildings that Rotate, Swivel and Pivot, 2008, p.76

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Ce projet fera des échos jusqu’aux États-Unis, une idée très intéressante pour les Américains, qui permettait de garder la maison et ses habitants en bonne santé.

Toujours selon les bienfaits de l’héliotropisme, Jean Saidman fonde l’Institut d’Héliothérapie de Vallauris en France. Basé sur une base octogonale à deux niveaux, le dernier étage est un observatoire météorologique qui est le seul à pivoter. 7

Figure 3 - Heliotropic House – Eugène

Figure 4 - Revolving Solarium - Jean Saidman -1935

Pettit – 1903 (Source : 7)

(Source: 7)

Ce projet regroupe une douzaine d’abris rotatifs en bois. Des abris contenant seulement un ou deux lits et une commode. Les façades les plus larges de l’abri étaient presque entièrement ouvertes. Elles étaient construites sur un plateau tournant, utilisant le même principe que la Villa Tournesol d’Eugène Pettit. Ce modèle a été repris par des particuliers souhaitant avoir leur propre sanatorium dans leur cour.

Suivant le principe précédemment évoqué de la cabane sur plateau tournant, Georges Bernard Shaw a réalisé une de ces cabanes, dans laquelle il passa vingt années de sa vie à écrire. Il évoque plusieurs avantages quant au pivot de son abri. Il n’avait pas besoin de lumière artificielle pour écrire, puisqu’il suffisait de tourner sa cabane plusieurs fois dans la journée pour être constamment baigné de lumière naturelle. Comme la fenêtre avant était constamment éclairée directement, l’abri n’avait pas besoin de fenêtres sur les faces

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RANDL Chad, Revolving Architecture: A History of Buildings that Rotate, Swivel and Pivot, 2008, p.76 Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM

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latérales, ce qui permet d’améliorer l’isolation de la cabane qui est un atout certain en climat froid. En été, il contre la surchauffe en ouvrant les deux fenêtres opposées, créant ainsi un courant de ventilation naturelle.

Figure 5 - Kelling Sanatorium for Working

Figure 6 - Rotating Writing Shed - George Bernard Shaw

Men in Norwich (Source : ) 8

(Source: 8)

Angelo Invernizzi, un ingénieur ferroviaire, a réutilisé l’idée des rails pivotants pour l’appliquer à sa création, une maison appelée « Villa Girasole » 8, conçue la même année que l’Institut d’Héliothérapie de Vallauris de Jean Saidman. Ce qui différencie cette réalisation des projets précédemment analysés, c’est l’échelle du bâtiment et la taille du rayon de giration qui fait de ce projet, un étendard de la technologie du bâtiment rotatif. La maison est composée de deux ailes à deux étages contenant les différentes pièces de la maison. La tour centrale abrite l’escalier et l’ascenseur, et est le centre de rotation de la

maison.

Nous

pouvons

remarquer

sur

la

Figure 7 - Villa Girasole - Angelo

photographie ci-contre, le tracé du rayon de giration,

Invernizzi (Source : 8)

qui marque le dessin des aménagements extérieurs. Sous les deux ailes, se trouvent des roues placées pour rouler selon ce chemin dessiné. Le système est motorisé par deux moteurs diesel et pivote d’approximativement 23 centimètres par minutes.

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RANDL Chad, Revolving Architecture: A History of Buildings that Rotate, Swivel and Pivot, 2008, p.76

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L’ingénieur Albert Buranelli a développé le Gyro Parking Garage, un concept de garage rotatif intéressant pour l’espace qu’il permettrait d’économiser. 9 Le principe est simple, la voiture entre dans l’ascenseur, qui le transporte ensuite à un étage comportant des places vides. Le plateau va ensuite tourner pour que la voiture se gare en face de la sortie de l’ascenseur. C’est le principe de plateau tournant déjà élaboré par les maisons rotatives du début du siècle, qui permet de réduire les espaces inutilisés. Ici, ce système permet de supprimer les espaces de circulations automobiles, les voies et les rampes.

Le Space Needle est l’un des monuments les plus reconnaissables dans le monde et est une icône de Seattle. Construit pour l’Exposition universelle de 1962, dont le thème était « L’âge de l’espace »10, le design futuriste de la tour s’inspire de l’idée que la foire avait besoin d’une structure pour symboliser les aspirations de l’humanité à l’ère spatiale. Il inclut à son premier niveau, un restaurant installé sur plateau tournant, avec sa cuisine fixe au centre.

Figure 9 - Rotogarage – Albert Buranelli (Source : 9)

Figure 9 - Space Needle - Edward E. Carlson (Source: 10)

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RANDL Chad, Revolving Architecture: A History of Buildings that Rotate, Swivel and Pivot, 2008, p.96

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RANDL Chad, Revolving Architecture: A History of Buildings that Rotate, Swivel and Pivot, 2008, p.111 Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM

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I.1.c / Courants de pensée d’une architecture en mouvement Entre 1960 et 1975, de nombreux jeunes architectes n’étant pas satisfaits de l’architecture produite à leur époque, voulurent exprimer leurs idées par des essais et des expositions afin de diffuser leur vision du futur paysage architectural. Ces visions souvent utopiques, proposent de nouvelles conceptions de la ville et du bâtiment, à travers le thème de la mobilité. 11 Yona Friedman présente le « Manifeste de l’architecture mobile » 12 en 1958, posant une question importante : « pourquoi les architectes décident pour les gens qui vivent dans leurs bâtiments”. Il fonde le « Groupe d’Études d’Architecture Mobile » (GEAM)”.

Figure 10 - Spatial Town - Yona Friedman

Figure 11 - Fun Palace - Cedric Price (Source: 12)

(Source: 12)

En 1959, il introduit “l’urbanisme spatial” où la ville posséderait des structures flexibles pouvant être modifiées selon les besoins. Elle suggère une ville composée de murs, planchers et plafonds amovibles, avec des réseaux facilement modifiables et de grands modules mobiles qui peuvent voyager en volant dans une ville pensée sur trois niveaux.

Ensuite, Cédric Price a posé une autre question : « Et si le bâtiment ou l’espace pourrait être constamment généré ou régénéré ? » Price a tenté de répondre à sa question quand il a conçu le « Fun Palace » en 1961. Le projet comprend des théâtres, des cinémas, des

11

ROY Eve, La question de la mobilité dans les représentations et expérimentations architecturales en Europe de 1960 à 1975, Rives méditerranéennes, 2009, URL: http://journals.openedition.org/rives/2693.

12

http://www.frac-centre.fr/collection-art-architecture/friedman-yona-58.html?authID=72

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restaurants, des ateliers, des zones de rassemblement qui peuvent être assemblées, déplacées, réarrangées continuellement.13 Archigram (association des termes architecture et télégramme) est initialement un groupe de jeunes architectes réalisant des revues d’architecture avant-gardiste des années 60, proposant un renouvellement de l’architecture et de l’urbanisme au travers d’utopies urbaines. Ils décident de s’affranchir du respect de l’histoire, de la réflexion du site. Ils proposent des idées tranchant radicalement avec le passé, proposant des bâtiments et villes machines modulables et en mouvement.14 Archigram intègre la culture pop à l’architecture, sous influence de la BD et de la sciencefiction et traite du mythe d’une population individualiste, consumériste et sans attache dont les innovations technologiques leur permettraient de dépasser leur mode de vie sédentaire. Ils conçoivent en 1964 “Living City”, la ville vivante mécanique, illustrant de géants “bâtiment-ville” se déplaçant grâce à des pieds articulés. C’est la pensée d’une ville machine qui pourrait se déplacer. Elle apparaît alors comme un organisme vivant et en mouvement.

Entre 1960 et 1974, Archigram a créé plus de 900 dessins, dont le plan de la « Plug-In City » de Peter Cook. Ce projet illustre un bâtiment-machine colossal sur lequel peuvent venir s’attacher des modules intégrant différentes fonctions et changeant régulièrement les usages du bâtiment.

Figure 12 - Living City – Archigram (Source : 14)

13

https://www.moma.org/collection/works/842

14

https://indexgrafik.fr/archigram/ Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM

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Figure 13 - Cities : Moving – Archigram (Source : 14)

Figure 13 - Plug-In City – Archigram (Source: 14)

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I.2 / DEFINITIONS ET CONCEPTS I.2.a / Architecture Intelligente Le concept d’architecture intelligente a été introduit pour contrôler et gérer le bâtiment par le biais d’une communication qui s’effectue entre celui-ci et ses utilisateurs. On parvient à ce résultat en utilisant des systèmes de haute technologie pour répondre aux besoins des utilisateurs, comme le confort, la productivité, et les économies d’énergie. Les systèmes du bâtiment comprennent tout ce qui le contrôle comme la VMC, la mécanique, la structure, le contrôle de l’éclairage, le contrôle de l’accès, la sécurité, la gestion de l’immeuble, l’entretien, le réseautage local et la gestion de l’énergie. 15

L’architecture intelligente a connu différentes définitions, sa signification a évolué au cours des années, en parallèle de la révolution informatique. Par exemple, au symposium international de Toronto en 1985, l’architecture intelligente a été décrite ainsi « le bâtiment intelligent combine des innovations, technologiques ou non, avec une gestion efficace, afin de maximiser le rendement du capital investi ». Cette définition est aujourd’hui qualifiée de « partielle » car elle ne tient en compte que le facteur du rendement. Elle décrit ainsi le bâtiment intelligent comme un système se régulant afin de faire le plus d’économies possible, sans se soucier du confort de ses utilisateurs (par le niveau d’intensité lumineuse, le confort thermique, le renouvellement d’air…).

En 1996, Bob a proposé une définition plus technique « un bâtiment qui peut comprendre la technologie permettant de contrôler automatiquement les dispositifs et les systèmes. » 2 ans plus tard, DEWG propose une définition se basant sur les utilisateurs: « le bâtiment intelligent est plus sensible aux besoins des utilisateurs et a la capacité de s’adapter aux nouvelles technologies ou aux changements dans les structures organisationnelles » 16, et évoque un certain nombre de critères qui doivent être respectés afin d’obtenir un bâtiment intelligent.

SHERBINI Khaled et KRAWCZYK Robert, Overview of Intelligent Architecture, ASCAAD International conference, 2004, p.138-139

15

SHERBINI Khaled et KRAWCZYK Robert, Overview of Intelligent Architecture, ASCAAD International conference, 2004, p.138-139

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La définition de l’architecture intelligente devrait donc inclure tous ces critères et systèmes : - Système d’« inputs » qui reçoit l’information par le biais d’un capteur - Traitement et analyse de l’information - Système de sortie « output » qui réagit à l’input sous forme de réponse.

- Considération du temps approprié de la réponse - Capacité d’apprentissage

I.2.b / Architecture Interactive L’architecture interactive se définit comme une interface entre les hommes et les ordinateurs 17. En considérant le bâtiment comme une enceinte qui définit un espace, cette interactivité se manifeste par certaines activations des composants de cette espace, réalisées par des participants. En outre, les composants du bâtiment comme les murs, le plancher et le plafond, agissent comme des surfaces interactives. Cette expérience architecturale ne s’adresse pas à des utilisateurs, mais à des participants, ayant conscience de l’interaction, et que leurs actions entraînent une réponse. Cette interactivité se base sur une communication à double sens entre les participants et les composants de l’installation, parmi lesquels : les périphériques d’entrée, de traitement de l’information et de sortie. Qui répondent respectivement aux trois dimensions caractéristiques de l’interaction : la dimension sensible (entrée), la dimension de réflexion (traitement) ainsi que la dimension de réponse (sortie).

MegaFaces était une installation architecturale expérimentale 18, installée lors des Jeux Olympiques d’Hiver de Sotchi. L’installation consistait en un écran géant, composé de sphères à LED, pouvant réaliser individuellement un mouvement linéaire. Permettant in

ROMANO R., AELENEI L., AELENEI D., MAZZUCCHELLI E., What is an Adaptative Facade, Analysis of Recent Terms and Definitions from an International Perspective, Journal Of Facade Design & 17

Engineering, Vol.4, N°3, 2018, p171-172 FOX Michael A., Interactive Architecture: Adaptive World, Princeton Architectural Press, 19 Avril 2016, p.80 18

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fine de changer la forme générale de l’écran, de former des volumes. Cet écran était alimenté d’informations générées par les participants à l’aide d’une batterie de photomatons à numérisation 3D. 19 Cette installation a été réalisée à la suite d’un concours lancé par MegaFon, un des plus grands opérateurs téléphoniques de Russie. L’opérateur voulait établir un lien fort avec ses clients, mais aussi le public russe, ainsi que le monde entier qui avait les yeux rivés sur les Jeux Olympiques de Sotchi.

Figure 14 - MegaFaces - Asif Khan Ltd. (Source : 19)

La façade cinétique mesure 18 mètres de large, 8 mètres de haut et peut avoir une profondeur de 2,4 mètres selon la position minimale de chaque bras télescopique. Il est composé de 11000 de ces bras sur lesquels sont disposés des sphères translucides LED.

FOX Michael A., Interactive Architecture: Adaptive World, Princeton Architectural Press, 19 Avril 2016, p.80 19

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I.2.c / Architecture Réactive L’architecture réactive a la capacité de répondre aux besoins de ses utilisateurs. 20 Elle n’a pas besoin d’être intelligente, il n’est pas nécessaire que la ou les réponses données soient issues d’un processus intelligent. Un mur à forte inertie comme le béton, la pierre ou bien la terre crue, par exemple, répond à des soucis de confort de l’utilisateur, ils gardent la fraîcheur à l’intérieur quand il fait chaud à l’extérieur. Ce phénomène s’explique par une propriété intrinsèque au matériau, et n’est donc pas issue d’un processus intelligent.

Certaines définitions de l’architecture réactive montrent que le terme présente une forme spécifique de réponse qui serait cinétique. Michael Fox affirme en 2003, que « le cœur du système réactif est la façon d’implanter des structures mécaniques avec des comportements interactifs et intelligents ». 21 Sterk (2003) définit également l’architecture réactive comme « une classe d’architecture qui démontre une capacité à modifier sa forme, à refléter continuellement les conditions environnementales qui l’entourent ». Bien que la modification de la forme ne soit qu’un type de réponse, le terme d’architecture réactive ne contient pas le terme « intelligent » pour représenter une réponse qui serait cinétique, et devrait donc couvrir tous les types de réponses dans l’architecture.

La réponse intelligente cinétique qui est évoquée dans les définitions de Fox et Sterk pousse l’architecture intelligente plus loin, en intégrant les facteurs « mouvement » et « temps », qui est expliqué dans la partie suivante.

SHERBINI Khaled et KRAWCZYK Robert, Overview of Intelligent Architecture, ASCAAD International conference, 2004, p.143 20

SHERBINI Khaled et KRAWCZYK Robert, Overview of Intelligent Architecture, ASCAAD International conference, 2004, p.143

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I.2.d / Architecture Cinétique Adaptative Le concept d’architecture cinétique est la conception de bâtiments avec des éléments mobiles et automatiques. La forme du bâtiment est modifiée pour répondre aux besoins des personnes et s’adapter aux conditions environnementales. 22 Le concept d’espace adaptable signifie qu’il réagit de manière conforme aux approvisionnements de toute activité humaine, depuis l’habitation, les loisirs, l’éducation, la médecine, le commerce et l’industrie. L’adaptation s’étend d’un intérieur, qui est multiusage réorganisé à une structure, et a la capacité de se transformer. Elle est capable de répondre à divers paramètres dans le temps. Le temps est un facteur essentiel dans le concept d’architecture adaptative. Par conséquent, l’architecture cinétique adaptative peut être considérée comme une architecture en mouvement s’adaptant dans le temps.

Fox (2000), définit l’architecture cinétique comme « un bâtiment à emplacement ou mobilité variable et/ou à géométrie ou mouvement variable ». Il décrivait divers types de systèmes cinétiques, dont le système de pliage. Le concept cinétique n’est donc pas à l’origine intelligent, mais il représente la capacité de contrôler la structure en déplaçant une partie ou la totalité de celle-ci.

La nouvelle direction est d’introduire le concept cinétique à l’intelligent comme l’une des réponses qui peuvent modifier la forme du bâtiment. Calatrava a donné quelques exemples pour appliquer le mouvement à la construction. Indépendamment de la fonction des applications cinétiques de Calatrava, sa contribution montre la possibilité d’avoir une forme mobile ; le toit du Musée Milwaukee, par exemple, peut s’ouvrir et se fermer.

L’étape suivante commence par la définition d’Oosterhuis (2003), qui stipule que l’architecture cinétique renvoie à « un bâtiment qui est contrôlé par un système de capteurs afin de pouvoir répondre en fonction des données reçues sous forme de mouvement ».

22 SHERBINI Khaled et KRAWCZYK Robert, Overview of Intelligent Architecture, ASCAAD International conference, 2004, p.144-145

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Figure 15 - Milwaukee Art Museum - Santiago Calatrava (Source : Calatrava.com)

Un bâtiment s’adaptant à son environnement, peut atténuer son empreinte carbone par un mouvement adoptant des stratégies d’économie d’énergie, telles que l’orientation et les ouvertures de bâtiments, dans le but de maximiser les apports lumineux et thermiques du soleil, en évitant un gain de chaleur superflu. 23 Cette adaptation se fait grâce à des capteurs multiples (suivi de la course du soleil, de l’intensité lumineuse, de chaleur, d’humidité, de vitesse du vent…) captant des informations de l’environnement, envoyées à un système informatisé qui les traite.

Mais quand celles-ci sont combinées avec un système informatisé intelligent qui peut gérer toutes les actions, les performances sont plus importantes. Avec un système entièrement intégré, les composants individuels comprennent les actions des autres et peuvent être contrôlés en coopération pour optimiser les performances.

La réponse aux stimuli reçu de l’environnement, aura pour objectif de créer un mouvement, qui permettra au bâtiment de s’approcher au maximum des données optimales définies à la conception (fourchette de valeurs de températures de confort, d’intensité lumineuse correspondant à l’activité exercée dans le bâtiment). Ce mouvement de réponse dépendra du système conçu pour le bâtiment.

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FOX M., KEMP A., Interactive Architecture, Princeton Architectural Press, 4 février 2009, p. 109

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Michael Fox a classé, dans un article de recherche universitaire 24, les systèmes de contrôle cinétique en six types selon leur niveau de complexité, en se basant sur les écrits de Jules Moloney dans son ouvrage « Designing Kinetics for Architectural Façades : State Change » : Contrôles internes : Ils n’ont aucun contrôle direct ou mécanisme comme des charnières mécaniques.

Les systèmes de cette catégorie comportent un contrôle interne des contraintes de rotation et de glissement inhérentes à la construction. Dans cette catégorie, l’architecture est déployable et transportable. De tels systèmes possèdent le potentiel de mouvement mécanique dans un sens de construction, mais ils ont tout dispositif ou mécanisme de contrôle direct.

Contrôles directs : Ils sont déplacés directement par une source d’énergie à l’extérieur des dispositifs.

Le mouvement est actionné directement par une source d’énergie, pouvant être électrique, ou bien généré par l’action de l’homme ou par un comportement biomécanique répondant à des conditions environnementales.

Contrôles indirects : Ils dépendent d’un système de rétroaction du capteur.

Le mouvement est actionné indirectement via un système de capteurs. Le système de contrôle de base commence par une entrée de l’information par le biais d’un capteur. Il doit ensuite transmettre un message à un dispositif de commande. Le dispositif de commande transmet une instruction de fonctionnement marche/arrêt à une source d’énergie pour l’actionnement du mouvement. Nous définissons ici le contrôle indirect comme une réponse unique autocontrôlée à un stimulus. 25 Contrôles indirects réactifs : ils dépendent de multiples capteurs de rétroaction.

Le système de base de fonctionnement est le même que dans les systèmes de contrôle indirect. Cependant, le dispositif de contrôle peut prendre des décisions basées sur

24

FOX Michael A., YEH Bryant P., Intelligent Kinetic Systems, MIT Kinetic Design Group, p.5

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FOX Michael A., YEH Bryant P., Intelligent Kinetic Systems, MIT Kinetic Design Group, p.6 Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM

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l’information générée par de nombreux capteurs, et ainsi prendre une décision optimisée qui sera envoyé à l’actionneur pour opérer un mouvement sur un objet unique. 26

Figure 17 – Schéma Contrôle Indirect (Source : 24)

Figure 16 – Schéma Contrôle Indirect Réactif (Source : 25)

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FOX Michael A., YEH Bryant P., Intelligent Kinetic Systems, MIT Kinetic Design Group, p.7

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Contrôles indirects réactifs omniprésents : Ils ont la capacité de prédire en utilisant un réseau de contrôles avec des algorithmes prédictifs.

Le mouvement induit par ce système est le résultat de nombreux ensembles de capteurs/moteurs autonomes (actionneurs) agissant ensemble comme un tout, en réseau. Le système de contrôle nécessite un algorithme de « rétroaction » qui est prédictif et auto-adaptatif. 27

Figure 18 - Schéma Contrôle Indirect Réactif Omniprésent (Source : 27)

Contrôles indirects réactifs heuristiques : Ils dépendent de réseaux à médiation algorithmique qui ont une capacité d’apprentissage. 28 L’heuristique peut être définie comme un ensemble de règles qui augmente les probabilités de résoudre un problème. Conceptuellement, il s’agit de la capacité d’apprendre de l’expérience. L’ajustement du temps de décision est un exemple de reprogrammation et d’ajustement du système sur la base de nouvelles informations ; l’information peut provenir de personnes ou de capteurs. Par exemple, dans une salle de réunion, le système peut sentir le nombre croissant de personnes, de sorte qu’il réduit la

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FOX Michael A., YEH Bryant P., Intelligent Kinetic Systems, MIT Kinetic Design Group, p.8

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FOX Michael A., YEH Bryant P., Intelligent Kinetic Systems, MIT Kinetic Design Group, p.9 Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM

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température de 24 à 18 degrés Celsius pour surmonter la chaleur de 20 personnes. La personne autorisée peut ensuite réduire la température à 15 °C ; le système devrait se rendre compte que son calcul n’était pas très précis. Avec 30 personnes, le système devrait calculer la chaleur de chaque personne en fonction de la dernière expérience.

Figure 19 - Schéma Contrôle Indirect Réactif Heuristique (Source : 28)

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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I.3 / LES DIFFÉRENTES SOLUTIONS D’ARCHITECTURE CINÉTIQUE ADAPTATIVE I.3.a / Systèmes cinétiques structurels Les systèmes cinétiques structurels sont définis comme des bâtiments et/ou des composants de bâtiments à mobilité, emplacement et/ou géométrie variable. Les capacités d’un système cinétique structurel peuvent être le pliage, le glissement, l’expansion et la transformation dans la taille et de la forme. D’autre part, les mouvements d’un tel système peuvent être générés par des moyens : pneumatiques, chimiques, magnétiques, naturels ou mécaniques. Enfin, les systèmes cinétiques structurels peuvent être classées en trois groupes, qui sont les structures cinétiques intégrées (bâtiment ou partie du bâtiment en mouvement), les structures cinétiques déployables, ainsi que les structures cinétiques dynamiques.

1 / Structures cinétiques intégrées Les structures cinétiques intégrées visent à contrôler le système architectural principal ou le bâtiment, en réponse à divers facteurs. Par exemple, ce peut être un système intelligent en mouvement qui amortie les tremblements de terre.

Cette solution contrôle les mouvements d’un bâtiment à travers un système de tendons ou de masses mobiles, liées à une boucle de rétroaction des capteurs. Les changements sont provoqués par des facteurs environnementaux et humains et peuvent inclure un mouvement axial, la torsion, la flexion, les vibrations. L’ingénieur Guy Nordestrom nous affirme que « si un bâtiment était conçu comme un corps, il pourrait changer sa posture, resserrer ses muscles et ainsi résister au vent. En conséquence, sa masse structurelle pourrait littéralement être réduite de moitié. » 29

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FOX Michael A., YEH Bryant P., Intelligent Kinetic Systems, MIT Kinetic Design Group, p.4 Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM

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Le toit rétractable du court central Philippe-Chatrier, construit pour l’édition 2020 du tournoi de Roland-Garros, est signé Serge Ferrari. Grâce à ce toit, le tournoi ne sera plus perturbé par des interruptions dues aux intempéries.

Le toit rétractable de la cour Philippe-Chatrier est composé de 11 fermes, pesant chacune 330 tonnes métriques 30. Chaque poutrelle est divisée en 7 sections mesurant 15 mètres de long. Chaque poutrelle est équipée de deux roues. Ces roues tirent les fermes le long de deux rails fixés au sommet des gradins. Ils sont actionnés par des moteurs électriques synchronisés.

Le mouvement de chaque poutrelle est synchronisé avec chacune des fermes voisines et est dirigé par un système informatique qui contrôle quand le toit doit s’ouvrir ou se fermer.

Figure 20 - Court Philippe-Chatrier - Serge Ferrari (Source : 30)

2 / Structures cinétiques déployables Ces structures sont facilement transportables et se trouvent habituellement dans un endroit de manière temporaire. Ces systèmes possèdent la capacité inhérente d’être construits et déconstruits. Leurs applications peuvent inclure des expositions itinérantes, des pavillons et des abris auto-assemblés dans les zones sinistrées. 31

RAMBION Myrtille, « The roof: How does it work? », site web Roland Garros, 5 février 2020. https://www.rolandgarros.com/en-us/article/philippe-chatrier-court-roof-how-does-it-work 30

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FOX Michael A., YEH Bryant P., Intelligent Kinetic Systems, MIT Kinetic Design Group, p.4-5

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Figure 21 - Rolling Bridge - Heatherwick Studio (Source : 32)

Le Rolling bridge pensé par Heatherwick Studio est un pont piétonnier sur le bassin de Paddington à Londres. 32 En plus de permettre aux piétons de traverser le bassin, le pont devait s’ouvrir pour laisser passer des bateaux. Il est composé d’acier et de bois et s’étend sur une longueur de 12 mètres.

Le pont se lève en s’enroulant. Il se transforme lentement, passant d’un pont droit en une structure circulaire. Les actionneurs hydrauliques cachés dans les balustrades permettent à la structure de se courber en activant la rétractation des bras reliant les huit segments.

3/ Structures cinétiques dynamiques Les systèmes dynamiques agissent indépendamment de l’ensemble architectural. Les applications peuvent inclure des persiennes, des portes, des cloisons, des plafonds, des murs et divers composants modulaires. Un exemple peut être un auditorium avec des configurations de plafond qui peuvent changer en fonction de l’auditoire et de l’emplacement des interprètes pour obtenir des propriétés acoustiques optimales.

Ces structures peuvent être classées dans la sous-catégorie suivante : - Systèmes mobiles : ils peuvent être déplacés physiquement d’un espace architectural à un autre.

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https://archello.com/en/project/rolling-bridge Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM

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- Systèmes transformables : ils peuvent changer de forme pour prendre une autre configuration tridimensionnelle. Donc, ils sont généralement utilisés pour économiser de l’espace ou des besoins utiles.

- Systèmes cinétiques incrémentaux : ils peuvent être ajoutés ou soustraits d’un bâtiment. D’autre part, les dispositifs cinétiques peuvent être organisés pour créer des structures cinétiques différentes. En outre, il existe de nombreux modèles possibles, les modèles les plus courants sont : a) Configuration centrique : Ce type dépend d’un point central comme point focal de l’espace ; il y a deux types de motifs dans cette configuration : -

Pivot : il est organisé à partir d’un élément de support principal (pivot) dans le centre de la forme et, généralement, les dispositifs cinétiques dans cette structure sont disposés pour être actionnés en périphérie de la forme.

-

Configuration périphérique : elle est organisée en une série d’éléments de support placés sur le périmètre de la forme.

b) Configuration linéaire : Ce type de mouvement dépend d’un axe (étroit ou incurvé), il se compose d’une série de dispositifs cinétiques qui sont reliés par leurs bords ou leurs sommets pour transmettre le mouvement d’un point à l’autre. 33

I.3.b / Architecture cinétique intérieure Les architectes et les designers d’intérieur à travers l’histoire ont essayé de rendre nos espaces de vie et de travail plus dynamiques et transformables pour répondre aux besoins changeants de ses habitants. L’idée est appliquée à de nombreux niveaux, comme les meubles à usages multiples et les espaces flexibles.

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FOX Michael A., YEH Bryant P., Intelligent Kinetic Systems, MIT Kinetic Design Group, p.4-5

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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Bien que les architectes dessinent des espaces ne pouvant abriter bien souvent qu’un seul usage, il se peut en pratique, qu’une même pièce accueille plusieurs usages. La cuisine sert dans un premier temps à préparer à manger mais peut également servir à regarder la télévision, discuter, travailler…, etc.

Il est donc important de réfléchir à cet éventail de fonctions que peut abriter une pièce en amont, de sorte que l’on puisse passer d’une configuration à une autre pour favoriser telle ou telle fonction. Ce système doit être pensé dans la conception, pour permettre à des éléments du bâtiment d’être flexibles, permettre une reconfiguration facile et pouvant être automatisée.

Cette possibilité de reconfiguration est également intéressante pour les grands espaces intérieurs tel que les bureaux en open-space, les salles polyvalentes, les espaces d’exposition.

Figure 22 – Rotating House - Georges Clark (Source : 34)

La maison rotative de Georges Clark est un espace proposant quatre fonctions différentes : la chambre, la salle de bain, la cuisine et le salon. La rotation du volume permet de changer la fonction de l’intérieur. 34

34

https://www.housebeautiful.com/uk/renovate/homes-makeovers/news/a989/amazing-spacesgeorge-clarke-william-hardie-futuristic-rotating-house/ https://www.youtube.com/watch?v=fJQLYsMQgZA Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM 35

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L’appartement de 32m2 de Gary Chang peut être transformé en 24 pièces différentes créant ainsi un appartement virtuel de 768 mètres carrés. Les murs coulissants et un lit rétractable sont les éléments clés de cette transformation. L’appartement est l’un des 370 unités d’un immeuble de 17 étages situé à Hong Kong. 35

Figure 23 - 32m² Apartment - Gary Chang (Source : 35)

À l’âge de 14 ans, Gary Chang a emménagé dans cet appartement du 7ème étage.

Lui, ses parents et ses trois sœurs partagent donc à l’époque, l’espace de ce petit appartement. À tel point que Gary Chang dormait dans le couloir d’entrée. Vivre dans un espace si petit l’a poussé à imaginer comment il pourrait utiliser au mieux chaque mètre carré. Il a entamé en tant qu’architecte, une transformation de cet appartement, en plusieurs phases. Il a rénové l’appartement quatre fois, transformant un appartement de 45 000 dollars en un appartement de luxe d’une valeur de 1,3 million de dollars.

La flexibilité pensée pour cet appartement se crée par le déplacement d’éléments compacts pour créer différentes configurations. L’architecte a créé des éléments amovibles de deux profondeurs différentes : 550 mm (bureau, armoire, etc.) et 900 mm (toilettes, lessive, baignoire...).

Ces éléments forment deux zones fonctionnelles, sur les bords les plus longs de l’appartement. Une zone centrale devient l’espace pour travailler, manger, se reposer, étudier, s’habiller, etc…, selon l’élément déployé dans la pièce. Ils sont déplacés selon un système de rail au plafond et au plancher. Le lit se replie dans le mur grâce à un système hydraulique conservant l’espace libre en journée.

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VAN PUCKE Olivier, Article: The 32m² apartment design by Gary Chang, Talkitect, 13 mars 2011

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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I.3.c / Façades cinétiques Le concept des façades cinétiques consiste à utiliser la transformation géométrique pour créer un mouvement ou un mouvement dans l’espace. Ce mouvement ou transformation affecte la structure physique ou les propriétés matérielles des façades du bâtiment, sans altérer sa structure. 36 Les façades cinétiques peuvent être déplacées dans l’espace par quatre transitions géométriques et peuvent être classées comme tel : 1) Translation : Le mouvement se produit dans une direction vectorielle 2) Rotation : L’objet est déplacé autour de tous les axes 3) Mise à l’échelle : Il s’agit d’une expansion ou d’une contraction de la taille.

4) Mouvement par déformation du matériau : il dépend des propriétés variables du matériau, comme la masse ou l’élasticité

Figure 24 - Mouvements façade cinétique - (Source : MOLONEY Jules, Designing

Kinetics for Architectural Façades : State Change, Routledge Editions, 3 juin 2011, p.22)

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FOX Michael A., YEH Bryant P., Intelligent Kinetic Systems, MIT Kinetic Design Group, p.5 Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM

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02.

ARCHITECTURE CINETIQUE ADAPTATIVE ET PERFORMANCES

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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© Aedas

Après l’introduction de l’architecture cinétique adaptative en première partie, en définissant les types et leurs spécificités, cette partie l’abordera d’une manière plus quantitative, par l’analyse de différents projets. En analysant les performances réalisées en termes d’adaptation spatiale et d’adaptation environnementale. En dernière partie, nous effectuerons une étude de cas sur les tours Al Bahr, qui est un des projets les plus ambitieux à ce jour en matière de façade dynamique. Les nombreuses informations disponibles sur ce projet me permettront de réaliser une analyse profonde sur la conception paramétrique, le fonctionnement mécanique et informatique, ainsi que sur les performances atteintes.

II.1 / ADAPTATION SPATIALE II.1.a / Glissement

Figure 25 - The Shed - Diller Scofidio + Renfro (Source : 37)

« The Shed » est le parfait exemple d'un projet architectural adaptatif, prenant en compte spatialement l’homme, la foule. En effet, il peut se transformer de sorte à changer de fonction spatiale pour la représentation d’œuvres et de performances requérant de grandes ou plus petites surfaces. 37

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https://dsrny.com/project/the-shed, Site de Diller Scofidio + Renfro, fiche du projet « The Shed » Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM

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Diller Scofidio + Renfro ont conçu ce bâtiment, venant d’une commande d’une organisation culturelle à but non lucratif, créant et présentant différentes variétés de travaux artistiques. Le développement de ce projet s'est fait autour d’une idée bien précise : pouvoir s'adapter à tous les artistes, des plus petites performances jusqu'aux plus grandes. The Shed est un bâtiment de 8 étages qui se compose de plusieurs salles de répétition et de représentation. Comprenant entre autres 2 étages consacrés à des expositions artistiques ainsi que 2 grands théâtres. 38 Enfin, le grand hall principal se transforme en « The McCourt » une scène immense pour les plus grandes performances et événements, qui se crée lorsque la coque extérieure télescopique se déploie en glissant le long des rails et empiétant sur la place attenante. Se déploie ainsi un gigantesque espace de réception de 1600 mètres carrés dont les lumières, le son et la température sont contrôlés. La salle peut accueillir 1 200 personnes assises ou 2 700 personnes debout.

MOUVEMENT LINEAIRE PAR GLISSEMENT

ROUES PORTEUSES

Figure 26 - The Shed - Schéma de principe cinétique (Source : 39)

Tout le plafond de la structure mobile fonctionne comme celui d’un théâtre avec des structures scéniques. Il est également possible d'agrandir encore plus cet espace en le combinant avec la galerie attenante pour créer un espace de 2700 mètres carrés. Lorsque

38

www.architonic.com, Fiche de projet « The Shed »

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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la coque est rétractée, une grande place permet d'accueillir des prestations à l'extérieur.

De grandes portes opérables au niveau de la Plaza permettent de connecter le bâtiment aux espaces publics à l’est et au nord, lorsqu’elles sont ouvertes. Le toit de « The Shed » culmine à 37 mètres et est composé d’un cadre en acier, rempli par des coussins semitransparents faits de polymère de téflon. Les propriétés de ce matériau en font un très bon isolant. 39 Le mouvement de la coque, c'est-à-dire le glissement, se fait par des rails au pied et au sommet du bâtiment. On retrouve sous le bâtiment des rails sur lesquels d'énormes roues pourtant la coque. D'autres rails se trouvent également en toiture sur la partie non mobile du bâtiment (voir figure 22 ci-dessous). À la base du bâtiment, ce sont six énormes roues en fer forgé qui soutiennent toute la coque. L'installation sur la toiture non-mobile accueille le moteur de 280 chevaux du système, qui permet un déploiement de la coque en 5 minutes.

Figure 27 - The Shed - Rails et roues (Source : 39)

Ici, le système de mouvement cinétique motorisé se fait par glissement et permet de moduler la taille de l’espace, afin d’accueillir diverses performances artistiques ainsi qu’un nombre de spectateurs plus important. Dans le cadre d’une organisation spatiale scénique, d’autres systèmes cinétiques peuvent moduler l’espace.

39

www.gooood.cn/the-shed-by-diller-scofidio-renfro-rockwell-group.htm, Fiche de projet « The

Shed » Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM 41

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Figure 28 - Sliding House - drMM Architects (Source : 41)

Ce projet de maison individuelle a été construit dans la région de Suffolk au Royaume-Uni. La maison jouit d'un vaste jardin privatif en pleine nature. Le projet consiste à créer un lien entre trois volumes habités, qui se fait par un mouvement de glissement. Ces volumes abritent différents programmes tels que la maison, le garage et une annexe. Le garage a été volontairement retiré de l'axe pour ainsi créer un espace tampon extérieur entre les trois volumes (illustration ci-dessus). La liaison entre ces différents volumes se fait par une coque extérieure mobile, qui glisse le long du site pour créer différentes combinaisons avec les volumes. Elle mesure 28 mètres de long, pèse 50 tonnes et se déplace sur des roues encadrées par des rails. L’ensemble mobile forme une structure isolante qui passe au-dessus de l’annexe, de la maison et de la serre, créant des combinaisons d’enceinte, de vie en plein air et d’encadrement des vues en fonction de sa position. 40 Différents espaces intérieurs mais aussi extérieurs peuvent donc être créés. On retrouve également un travail sur le cadrage des vues. Les moteurs nécessaires au mouvement ont été caché dans la coque mobile au niveau des roues. Ce sont quatre moteurs qui sont nécessaires pour mettre en mouvement la coque, alimentés par des batteries tirant leur énergie de panneaux solaires en toiture. Cette maison possède un potentiel d'extension

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www.dezeen.com/2009/01/19/sliding-house-by-drmm-2/, fiche de projet « Sliding House »

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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puisque le toit pouvant bouger tout le long de l'axe, le système de rails pourrait être étendu. Ainsi, d'autres modules pourraient venir s'insérer à la suite des bâtiments existants ; l'architecte évoque par exemple une piscine, qui pourrait être ajoutée et qui utiliserait la coque mobile comme abri.

Figure 29 - Sliding House - Principe de conception (Source : 41)

Ce système permet de laisser le choix à ses utilisateurs d'un apport important ou moindre de lumière directe, sur des espaces intérieurs ou extérieurs et ainsi créer des scénarios de vie en fonction du paysage et de la météo. La « Sliding House » offre des espaces radicalement variables. 41

Figure 30 - Sliding House – drMM (Source : 41)

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arch5541.wordpress.com/2012/10/11/material-interrogation-sliding-house/ Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM

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II.1.b / Rotation

Figure 31 - Apple Store Dubaï Mall - Foster + Partners (Source : 42)

Ce nouveau magasin d'Apple a été dessiné par Foster + Partners en collaboration avec le chef du design de la branche design d'Apple. Il est idéalement situé au pied de la tour Burj Khalifa et est placé juste en face des grandes fontaines de Dubaï, au sein du Dubaï Mall, un des lieux les plus fréquentés de la ville, avec plus de 80 millions de visiteurs par an. Il a été aménagé en périphérie du centre commercial de sorte qu'une immense façade vitrée s'ouvre sur l'espace public. Ces connexions visuelles importantes avec l'extérieur, accroissent l'attractivité du magasin. 42 On peut clairement distinguer les 18 ailes (par paires) pouvant se rabattre par rotation, et ainsi séparer ou lier la terrasse, de l’espace intérieur. Ces panneaux tissés se ferment en journée venant ombrager l'intérieur, pour le confort des clients. 43 La nuit, ces panneaux s'ouvrent complètement pour révéler la boutique sur la place publique. Ces lames sont

42

www.fosterandpartners.com/projects/apple-dubai-mall/, fiche de projet « Apple Dubaï Mall »

43

www.archdaily.com/870357/apple-dubai-mall-foster-plus-partners, fiche de projet « Apple Dubaï

Mall » ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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constituées de fibres de carbone, dont le maillage forme un filet de multiples couches, assez dense mais tout de même perméable pour filtrer la lumière, et ainsi créer une ambiance lumineuse agréable.

Figure 32 - Apple Store Dubaï Mall – Détails techniques des ailes (Source : 42)

Figure 33 - Apple Store Dubaï Mall - Foster + Partners (Source : 42) Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM 45

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II.1.c / Déformation

Figure 34 – Eco-29 - FoxLin and Braham Architects (Source : 44)

Eco-29 de FoxLin and Braham Architects, est conçu avec une double peau intérieure (contrairement à The Shed qui utilise une peau extérieure mobile) qui change sa forme pour accommoder l’espace. Ici, nous ne sommes plus sur un mouvement linéaire mais un mouvement à trois dimensions, par la déformation du matériau. 44 Eco-29 est un espace événementiel initialement pensé pour les mariages. L’espace s’adapte grâce à un système cinétique permettant de varier plusieurs scénarios d'organisation spatiale. Plusieurs de ces mariages ont déjà été célébrés dans ce lieu. Le système a ensuite été réfléchi pour accueillir d'autres événements, tel qu’une boutique éphémère ou bien une salle pouvant organiser des lancements de produits. L’espace a été pensé pour accueillir une grande scène au bout et une façade ouverte à l’autre bout, donnant sur une grande terrasse.

Le principe est d’inciter les invités à se déplacer au fil de la cérémonie. Pour cela, un tissu tendu enveloppe l'espace, et des bras mécaniques au mur et au plafond permettent de déformer cette surface pour générer une nouvelle organisation spatiale correspondant à

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FOX Michael A., Interactive Architecture, Adaptive World, Princeton Architectural Press, 2016, p.108

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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différents scénarios. La toile employée est un tissu blanc permettant de fortes déformations. Le choix du matériau et la couleur s'est fait pour des raisons de sobriété et de projection de lumière, ou d'images.

Pour réaliser ce mouvement, deux types de moteurs ont été installés, avec un logiciel fait sur mesure qui a été développé pour chorégraphier le mouvement. Le logiciel permet à ses utilisateurs de définir le mouvement, la vitesse, ainsi que l'accélération pour chaque moteur, selon un pourcentage de capacité maximale. L’interface est simple, avec des barres jauge permettant une utilisation intuitive du logiciel. L’utilisateur est vraiment libre de la forme qu’il souhaite donner à son espace de réception. 45 Le diagramme ci-dessous présente quelques possibilités offertes par ce système.

Figure 35 - Eco-29 - FoxLin and Braham Architects – Schémas de scénarii d’aménagement (Source : 45)

L’espace devait avoir une flexibilité tridimensionnelle absolue. Le concept a été élaboré en vertu duquel une architecture « souple » serait élaborée dans les limites rigides de l’entrepôt existant. Le bâtiment de fabrication existant a été démonté jusqu’à l’ossature en acier avec le toit existant. Toute la structure en bois a été complétée avec du bois récupéré et le plancher en béton d’origine a été réparé et remis en état.

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FOX Michael A., Interactive Architecture, Adaptive World, Princeton Architectural Press, 2016, p.111 Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM

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II.2 / ADAPTATION ENVIRONNEMENTALE II.2.a / Systèmes cinétiques intégrés L’Heliotropic House est une maison solaire rotative de l’architecte Rolf Disch, construite en 1994 à Fribourg-en-Brisgau, à bilan énergétique positif. La maison pivote pour suivre le soleil, et produit de 4 à 6 fois plus d’énergie qu’elle n’en consomme.

Figure 36 - Heliotropic House - Rolf Disch (Source : cahiers-techniques-batiment.fr)

Ce bâtiment possède deux systèmes cinétiques distincts, un système actif ainsi qu'un système passif. Le système actif consiste en la rotation du bâtiment jusqu’à 180 degrés.

Ainsi, il peut être intégralement exposé au soleil ou bien totalement caché. Un système intelligent s’adapte à la position du soleil grâce à des capteurs météorologiques placés en toiture. 46 Une partie du cylindre possède de grandes baies vitrées triple épaisseur, tandis que la partie restante se veut beaucoup plus opaque. Ainsi, en hiver, la partie vitrée fait face au soleil tandis que l'été c'est la partie opaque isolée qui le fait face, pour éviter la

46 SPIEGELHALTER T., LEE A., Designing Carbon Neutral Plus-Energy Buildings with Site Adaptative Heliotropism Cycles, p.2-3

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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surchauffe. Cette rotation est permise par la construction du bâtiment qui est un volume cylindrique en porte-à-faux autour d'un pilier central. Ce cylindre de 10 mètres de diamètre et de 14 mètres de hauteur, tourne sur lui-même à l'aide d'un moteur électrique de 100 watts, dont la consommation annuelle est de 20 kWh. Le bâtiment suit la course du soleil pouvoir atteindre un rythme maximum de 15 degrés par heure.

Le second système cinétique, passif, est installé en toiture, et est doté d’une surface de 54 mètres carrés de panneaux photovoltaïques, posée sur une structure rotative suivant également le soleil. En plus d’un mouvement rotatif d'une amplitude de 180 degrés, un deuxième axe de mouvement est mis en place afin que la perpendicularité au soleil soit la plus optimale. Grâce à l'apport d’un mouvement à ce système passif, l'architecte affirme qu’il peut générer 40% plus d'énergie qu'un système classique fixe. 47 Grâce à la combinaison de ces deux systèmes cinétiques actif et passif, l’Heliotropic House a été l'un des premiers bâtiments « Plus Energie » dans le monde, et produit 5 fois plus que la consommation en électricité du bâtiment. L’excédent d'énergie produit est vendu au réseau public d'électricité.

Figure 37 – Heliotropic House -Vues du projet (Source : 47)

47

SPIEGELHALTER T., LEE A., Designing Carbon Neutral Plus-Energy Buildings with Site Adaptative Heliotropism Cycles, p.2-3 Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM

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II.2.b / Façades cinétiques Les bureaux et bâtiments publics, par leur échelle plus importante que l’habitat, nécessitent l’emploi d’une façade cinétique, également par le fait que la recherche d’espaces de travail éclairés amène une conception de façade presque entièrement vitrée. Or, il est possible de maintenir une intensité lumineuse confortable, tout en se protégeant de la chaleur générée par la façade exposée en été, et ainsi éviter l’emploi de la climatisation. La façade dynamique doit donc suivre la course du soleil, pour se protéger du rayonnement direct en été, mais la forme et matériaux de ses composants doivent permettre une pénétration de lumière naturelle. Il réalise donc de meilleures performances d’intensité lumineuse, thermiques et donc énergétiques.

Figure 38 - Q1 Headquarters - JSWD Architekten + Chaix & Morel et Associés (Source : 48)

Le bâtiment du quartier général de Q1, à l’extérieur d’Essen, en Allemagne est un exemple de projet intégrant une façade cinétique. Le système de façade permet de réduire l’utilisation de la VMC en maximisant la quantité d’air naturel ventilé ainsi que les apports solaires directs. 48 Le cabinet d'architecture chaix & Morel ainsi que JSWD Architects ont remporté un concours sur la conception d'un campus pour ThyssenKrupp, visant à faire vivre les 2000 employés du site. On retrouve au centre du site une imposante piscine de 200 mètres de long sur 30 mètres de large, autour de laquelle se sont construits plusieurs bâtiments. Des places de parking et garages souterrains ont été pensés pour préserver le

48

https://facadesconfidential.blogspot.com/2010/12/thyssenkrupp-quarter-facades-giants.html

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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calme au sein de ce campus. Ainsi, toutes livraisons se font en sous-terrain. Le bâtiment qui nous intéresse se trouve dans le prolongement de la piscine, à l'extrémité du campus.

Il dispose d'un système de façade cinétique adaptatif relativement efficace. Les architectes ont travaillé main dans la main avec l'Institut Fraunhofer des Systèmes d’Energie Solaire de Fribourg, pour mettre au point cette façade. En plus d'un surplomb à chaque niveau bloquant les rayons du soleil, une façade composée de panneaux verticaux en forme d’ailette vient renforcer la gestion de l'apport solaire. Le principe de fonctionnement de ces ailettes est le pliage, par un mouvement de rotation. Ainsi, elles peuvent soit adopter une position à 0 degré, ce qui veut dire qu'elles sont parallèles à la façade et bloquent donc totalement le rayonnement solaire, ou bien peuvent se plier à 90 degrés sur elles-mêmes pour une pénétration maximale de la lumière. Des capteurs couplés à un système informatisé intelligent, permettent d'actionner le mécanisme de ces ailettes dont le degré d'ouverture ou de fermeture évolue selon la course du soleil. 49

Figure 39 - Q1 Headquarters – Détail de fonctionnement (Source : 49)

Les ailettes sont conçues en acier inoxydable et sont formées de lames horizontales en porte-à-faux, maintenues par un goujon central. Elles ont été volontairement conçues non-rectangulaires par l'architecte, de sorte à apporter plus de dynamisme à la façade.

Un soin de finitions a été porté à ces panneaux, avec une texture qui diffère sur la partie externe ou interne. La partie interne se voulant plus brillante que la partie externe pour un meilleur apport de lumière, couplé avec une orientation de la face des lamelles permettant

49

https://facadesconfidential.blogspot.com/2010/12/thyssenkrupp-quarter-facades-giants.html Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM

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aux rayonnements lumineux de rebondir vers l’intérieur.

Les ailles de chaque panneau peuvent bouger individuellement et ainsi adopter une position différente. Ce sont en tout 1600 moteurs qui sont nécessaires pour activer l'ensemble de la façade. La stratégie de façade cinétique mise en place permet au bâtiment de consommer moins de 150 kWh/m²/an. 50

Figure 40 - Façade Q1 Headquarters (Source : 50)

Le bâtiment Media TIC a été conçu par l'architecte Enric Ruiz-Geli (Cloud-9) et a pour vocation d'être un laboratoire de nouvelles technologies du bâtiment.

L’architecte a conçu un bâtiment d'une grande transparence ouvert au public et y a installé ses nouveaux bureaux.

C’est un bâtiment public offrant un auditorium de plus de 300 places assises. 51 Figure 41 - Media-TIC – Cloud-9 (Source : 53)

Une des principales innovations de ce bâtiment est sa façade pneumatique, fonctionnant comme un écran solaire mobile et régulant ainsi la lumière et la température, en fonction

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https://facadesconfidential.blogspot.com/2010/12/thyssenkrupp-quarter-facades-giants.html

AELENEI L & D, ROMANO R., MAZZUCCHELLI E., BRZEZICKI M, RICO-MARTINEZ J., Case Studies – Adaptive Facade Network, European Cooperation in Science and Technology, TU Delft Open, 2018,

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p.154-156 ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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des conditions environnementales. La façade sud-est est la plus exposée, puisqu'elle reçoit en moyenne 6 heures d’ensoleillement journalier. Le traitement intelligent de cette façade est un sujet important du fait de sa localisation, à Barcelone, où les étés sont chauds. La solution envisagée n'est pas mécanique mais pneumatique. C'est une peau composée de 3 couches d’ETFE 52, fonctionnant comme un filtre solaire. Sous pression constante, la quantité d'air circulant dans cette peau et variable. La première couche est transparente mais les 2ème et 3ème peuvent se gonfler et ainsi créer de l'ombre. L’ombre créée par le gonflement des chambres d’air s'explique par un mélange de particules d’azote et d’air créant un nuage. Chaque coussin d'air possède un capteur mesurant la température et l'angle du soleil et activant ou non le gonflement.

Les performances de Media-Tic sont impressionnantes. Le bâtiment permet une réduction de 10% de CO2 émis grâce au toit photovoltaïque, une réduction de 55% de CO2 grâce au à la façade pneumatique en ETFE. Les capteurs intelligents permettent une réduction de CO² supplémentaire de 10%. 53

Figure 42 - Media-TIC - Cloud-9 - Façade pneumatique (Source : 53)

AELENEI L & D, ROMANO R., MAZZUCCHELLI E., BRZEZICKI M, RICO-MARTINEZ J., Case Studies – Adaptive Facade Network, European Cooperation in Science and Technology, TU Delft Open, 2018, 52

p.154-156 GELI Enric Ruiz, Media-ICT, Texte de présentation et plans PDF disponibles sur https://www.dropbox.com/sh/zduwuarjv9cmo5n/AABPVkHUXp9TSjZ6DIC3_pOHa?dl=0 53

Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM 53

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II.3 / ÉTUDE DE CAS : AL BAHAR TOWERS L’étude de cas sur la conception de façade cinétique est intéressante puisqu’il est un des projets d’architecture cinétique adaptative des plus ambitieux. Nous détaillerons les facteurs pris en comptes, la conception, l’assemblage, les capteurs installés, le contrôle informatisé ainsi que la motorisation permettant de formuler une réponse cinétique appropriée aux conditions météorologiques.

Al Bahar Towers est un ensemble de tours de bureaux à Abou Dhabi, Le projet est issu d'un concours remporté par Aedas et Arup en 2007, pour un bâtiment qui accueille les nouveaux locaux du siège du conseil d'investissement d'Abou Dhabi.

Les tours Al Bahar se parent d’un système d’ombrage automatisé externe innovant, créant également une identité esthétique unique au bâtiment. La façade dynamique a été

conçue

comme

une

interprétation

contemporaine du traditionnel « mashrabiya » ; un motif populaire de la culture islamique vernaculaire, en treillis de bois et utilisé comme un dispositif pour préserver la vie privée, tout en réduisant l’apport solaire. Il a été pensé pour répondre au climat extrême de Figure 43 - Al Bahr Towers – Aedas (Source : 54)

la région, avec des températures atteignant 50 °C et un taux d’humidité maximal.54

54

KARANOUGH A., KERBER E., Innovations in dynamic architecture: The Al-Bahr Towers Design and delivery of complex façades, Journal of Facade Design and Engineering, vol.3, 2015, p.5

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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II.3.a / Conception de la façade Ce système dynamique, contrairement à des brise-soleils verticaux ou horizontaux traditionnels statiques, permet une meilleure visibilité ainsi qu’une plus grande quantité de lumière diffuse naturelle admise, puisque cette solution empêche l'emploi d'un verre teinté. De plus, la lumière diffuse se réfléchit sur les panneaux semi-ouverts ou fermés.

Ce dispositif réduit ainsi l'utilisation de lumière artificielle ou d'un système de refroidissement de l'air, impactant donc la consommation d'énergie et son coût.

Cette façade est composée de deux couches. La première, la couche la plus interne, est un mur rideau vitré composé de panneaux identiques étant attachés bout à bout. Ils sont dimensionnés par une hauteur de 4m20 et d'une largeur variant de 90cm à 1m20. 55 Cet assemblage bout à bout permet un aspect homogène de la façade en extérieur, bien que de l'Intérieur, les utilisateurs n'aperçoivent que 3m10 de hauteur de vitrage.

Figure 44 – Protection solaire dynamique (Source : 55)

La seconde couche est une façade dynamique qui est espacé de 2 mètres du mur rideau.

Ses unités ont tous une hauteur de 4m20 et leur largeur varie de 3m60 à 5m40. L'unité la plus imposante pèse 625kg. Ces dimensions vont de pair avec celles du mur rideau. De même hauteur, l’accroche des unités se fait donc verticalement entre deux panneaux du mur rideau. La largeur des unités correspond à un certain nombre de panneaux du mur rideau. Les deux couches sont reliées par des bras, fixées entre les panneaux du rideau qui soutiennent les unités de la façade dynamique. Ces unités sont formées premièrement de cadres statiques en acier inoxydable, sur lequel viennent se poser des cadres dynamiques en aluminium, soutenant les panneaux triangulaires qui sont fait de fibre de verre.

55

KARANOUGH A., KERBER E., Innovations in dynamic architecture: The Al-Bahr Towers Design and delivery of complex façades, Journal of Facade Design and Engineering, vol.3, 2015, p.10-11 Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM

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Figure 45 - Inspiration biomimétique (Source : 56)

II.3.b / Le système mécanique informatisé Fonctionnement mécanique

LEGENDE 1 – Câble électrique d’acheminements des données 2 – Jonction des portants à la façade 3 – Crochets 4 – Jonction du cadre en Y et des portants 5 – Moteur 6 – Jonction moteur / cadre en Y 7 – Jonction du cadre en Y 8 – Bras du cadre en Y 10 – Armature portant les panneaux 11 – Actionneur hydraulique 12 – Stabilisateur 13 – Système de glissement permettant l’ouverture ou la fermeture du trépied 15 – Panneau en fibre de verre PTFE

Figure 46 - Al Bahr Towers - Composants des unités de façade (Source : 56)

Les tours sont dotées d’une double peau constituée de 1409 unités 56 pouvant se plier et se déplier par l’action d’un système intelligent et motorisé. Les unités se composent de six cadres triangulaires, se pliant comme un parapluie. La zone exposée directement au soleil est fermée et au fur et à mesure que le soleil bouge, chacune des unités s’ouvrent

56 KARANOUGH A., KERBER E., Innovations in dynamic architecture: The Al-Bahr Towers Design and delivery of complex façades, Journal of Facade Design and Engineering, vol.3, 2015, p.11-12

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

56

progressivement. Chaque unité peut évoluer selon 3 positions : fermée, semi-ouverte et totalement pliée.

Chaque panneau de façade fonctionne de la même manière, le mouvement est rendu mécaniquement possible par des actionneurs linéaires à vérins, situés au centre de chaque unité. Ils peuvent effectuer un mouvement linéaire d’une amplitude d’un mètre, pour ouvrir ou fermer le dispositif. Lorsque cet actionneur pousse vers l’extérieur, il a pour effet de faire glisser les « sliders » des bras vers lui. Ainsi, les panneaux triangulaires pivotent (selon un centre de rotation qui est la connexion du cadre des panneaux triangulaires aux sliders) et se plient pour réduire la surface bloquant les rayons solaires.

Lorsque l’actionneur atteint sa position d’éloignement maximale, le bâtiment jouit d’une surface d’ouverture à l’extérieur de 85%.

Contrôle informatisé Les données sont transférées jusqu’à la salle de contrôle via un réseau Ethernet. L’interface Humain/ Machine (HMI)57 est assuré par Siemens ainsi que le programme informatique de contrôle. Le système permet des opérations manuelles en cas d’urgence. Chaque unité apparaît à l’écran. Le programme est relié à trois capteurs différents situés en haut des tours pour la mesure de lumière, de vent et de pluie. Les données recueillies par ces capteurs permettent de passer outre la programmation de disposition de base des unités, pour les mettre tous en position semi-fermé en cas de conditions inhabituelles comme une tempête.

Figure 48 - Ecran de contrôle de la façade (Source : 57)

57

KARANOUGH A., KERBER E., Innovations in dynamic architecture: The Al-Bahr Towers Design and delivery of complex façades, Journal of Facade Design and Engineering, vol.3, 2015, p.17-18 Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM

57

2020 / 2021

Figure 49 - Al Bahr Towers – Ouverture et fermeture (Source : 58)

II.3.c / Avantages et performances Gain d’énergie solaire Le principe de la façade dynamique et de bloquer les rayons solaires directs pendant les heures de travail, soit de 9h à 17h00. Cela évite la surchauffe des locaux ainsi que l'éblouissement solaire, et participe à réduire les coûts engendrés par le système de refroidissement du bâtiment. La double peau n'est pas présente sur la partie nord de la façade car elle est exposée peu de temps au soleil, et en dehors des heures de travail.

Leur installation sur cette partie du bâtiment n'était donc pas nécessaire. 58 Luminosité L'objectif de l'installation n'est pas seulement de bloquer les rayons solaires directs, mais d'apporter tout de même de la lumière diffuse naturelle, de sorte qu'elle ne soit pas trop forte. Ainsi, les concepteurs on définit un seuil de lumière naturelle confortable pour des conditions de travail, allant de 250 à 2000 lux. Si la lumière diffuse naturelle se trouve inférieure à ces 250 lux, des capteurs placés sur le plafond près du mur rideau vont le détecter et ainsi allumer les lumières artificielles pour pallier ce manque.

58

KARANOUGH A., KERBER E., Innovations in dynamic architecture: The Al-Bahr Towers Design and delivery of complex façades, Journal of Facade Design and Engineering, vol.3, 2015, p.14

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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Vents Une série d’essais en soufflerie ont été réalisés à différentes échelles pour anticiper la combinaison des charges exercées sur le bâtiment en général et localement sur une unité mashrabiya. Des modèles à petite et à grande échelle ont été testés en conséquence. Les essais ont révélé que la forme fluide du bâtiment générait des pressions d’une moyenne de 1,5 kPa jusqu’à un maximum de 3,5 kPa. Une seule unité dynamique a ensuite été soumise à des vitesses de vent très élevées jusqu’à 90 m/s. 59 Durabilité L'essentiel du système a été conçu pour durer 50 ans. Les autres composants qui sont quant à eux non statiques, tels que les actionneurs et les sliders sont conçus pour une durée minimale de 15 ans avant d'être remplacés.

Le système est conçu pour résister aux conditions suivantes 60 : -

L’exposition élevée aux rayons UV et aux températures pouvant atteindre 50 degrés.

-

L’humidité pouvant atteindre 100 % en été.

-

La corrosion : lorsque le bâtiment fait face à la mer, il est exposé à des vents chargés de sable et de poussière.

-

Des charges de vent et des vitesses de vent élevées pouvant atteindre respectivement 3,5 kPa et 240 km/h.

-

Les dégâts qui seraient relatifs aux activités de nettoyage et d’entretien, ainsi qu’à l’exposition à des tempêtes de sable.

Avantages quantitatifs Les concepteurs ont cherché par la création de ce système de créer des espaces intérieurs bien éclairé naturellement, tout en réduisant la surchauffe qui serait produite par des rayonnements solaires directs. Il en résulte une amélioration du confort thermique et une diminution de consommation d'énergie qu'il aurait été nécessaire pour la

60 KARANOUGH A., KERBER E., Innovations in dynamic architecture: The Al-Bahr Towers Design and delivery of complex façades, Journal of Facade Design and Engineering, vol.3, 2015, p.15-16

Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM 59

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climatisation. Ces mesures impactent la consommation énergétique sur ces points 61 : - 20% d’économie d’énergie dont 50% pour les bureaux - 20% de réduction d’empreinte carbone - 20% de réduction de matériaux, grâce à un dessin efficace des brise-soleils.

- Certification LEED Silver Avantages qualitatifs Le projet possède des avantages non quantifiables 62 : - l’amélioration du confort de l’utilisateur et de leur bien-être - l’identité visuelle unique du bâtiment - l’amélioration de l’éclairage naturel et donc des espaces grâce à une meilleure admission de la lumière naturelle diffuse - une meilleure visibilité sur l’extérieur, pas de store qui viendraient obstruer la vue - l’amélioration du confort grâce à la réduction de la climatisation

61

KARANOUGH A., KERBER E., Innovations in dynamic architecture: The Al-Bahr Towers Design and delivery of complex façades, Journal of Facade Design and Engineering, vol.3, 2015, p.19

62

KARANOUGH A., KERBER E., Innovations in dynamic architecture: The Al-Bahr Towers Design and delivery of complex façades, Journal of Facade Design and Engineering, vol.3, 2015, p.20

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

60

Figure 53 - Façade Al-Bahr Towers (Source : Aedas.com)

Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM 61

2020 / 2021

03.

LES NOUVELLES POSSIBILITÉS DU BIOMIMETISME

© Doris Sung

III.1 / LE BIOMIMÉTISME EN ARCHITECTURE III.1.a / Définitions et enjeux Évolution des définitions La nature a sans cesse évolué en choisissant à chaque fois les solutions les plus favorables pour son développement, ce qui en fait un laboratoire d’expérimentations immense, qui se déroule depuis plusieurs milliards d’années.

Le concept de biomimétisme a été introduit par Otto H. Schmitt en 1969, en tant qu’une « approche scientifique qui étudie les systèmes, les processus et les modèles dans la nature, et les imite pour résoudre des problèmes ». 63 Ce terme prend racine d'un concept plus ancien élaboré dans les années 50, « bionique » 64 qui est simplement la combinaison des mots « biologie et technique ». Ce terme a été remplacé par « biomimicry » (bio-imitation) qui signifie l’imitation de la vie. Or, le terme « biomimetic » (biomimétisme) est plus récent et approprié au sujet d’étude.

Le « biomimétisme » implique la compréhension des structures et des processus biologiques, ainsi que de leurs applications et leur méthode technologique correspondante. Ainsi, le biomimétisme n'est pas la simple imitation de la nature, qu'elle soit esthétique ou fonctionnelle. Le biomimétisme peut s'appliquer à nombre de domaines. C'est pour cela qu'il convient de préciser ce que cette pensée représente dans le domaine de l'architecture. On parle alors plutôt de « construction biomimétique », qui explore un éventail de précédents naturels, pouvant potentiellement amener de nouvelles idées dans la conception architecturale.

En architecture, nous ne pouvons pas créer un bâtiment « biomimétique pur ». Le bâtiment vivant n’existe pas encore. En effet, on retrouve plutôt certaines parties d'un

FOX Michael A., Interactive Architecture: Adaptive World, Princeton Architectural Press, 19 Avril 2016, p. 125

63

64 GRUBER Petra, biomimetics in architecture: architecture of life and buildings, Springer-Verlag/Wien, 2011, p.14-15

Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM 63

2020 / 2021

bâtiment qui sont biologiquement inspirés. Les architectes et ingénieurs utilise des recherches en biologie, ou bien développent des collaborations avec des biologistes pour trouver des applications biomimétiques dans leur projet.

De nos jours, la gestion efficace des ressources est un enjeu crucial dans le domaine de la construction. Ces nouveaux matériaux et solutions inspirés de la nature représentent une voie potentiellement importante dans ce domaine, qui a été accéléré par le développement des calculs informatiques et de la transmission efficace des connaissances grâce à internet.

Enjeux du biomimétisme en architecture À travers les âges, nous avons petit à petit effacé la nature de notre environnement. Ces changements se sont réalisés dans l’optique d’apporter plus de confort. Nous sommes passés d’un paysage naturel à un environnement artificiel, formé par notre culture ainsi que nos objectifs de vie. Nous nous retrouvons à présent avec la moitié de la population mondiale vivant dans des villes immenses et densément construites. Nous sommes arrivés à un moment où la question de la qualité de vie doit être réinterrogée. 65 La réintroduction de la nature au sein de nos environnements construits peut être une solution à ce problème. Notre production architecturale et urbaine actuelle impacte fortement notre environnement par la perte massive d’espaces naturels, la destruction de la biodiversité, l’exploitation minière massive ainsi que les consommations excessives d’énergies, les émissions de gaz à effet de serre, la production de déchets dû à une mauvaise gestion des ressources et de leur recyclage.

L’architecture doit muter, pour s’adapter aux changements environnementaux causés par l’homme. La corrélation des deux disciplines que sont l’architecture et la biologie, permet également une meilleure compréhension des professionnels de la conception sur le fonctionnement de la nature, des écosystèmes et des enjeux pour notre futur. Notre développement technologique, bien qu’il fût néfaste pour notre environnement, nous permet aujourd’hui d’employer de nouvelles techniques de construction, nous permettant

65 GRUBER Petra, biomimetics in architecture: architecture of life and buildings, Springer-Verlag/Wien, 2011, p.9

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

64

de créer une architecture plus respectueuse de l’environnement sans sacrifier le confort et la qualité de vie des utilisateurs. 66 Par une prise de conscience générale de ce problème, nous remarquons une plus grande prise en compte de la qualité de vie dans les projets récents, essayant de réintroduire la nature en ville. Les projets d’architecture cinétique adaptative étudiés précédemment, nous montre que nous passons d’une architecture statique non-sophistiquée, à une architecture dont le mouvement permet de s’adapter à la fois à l’environnement et au confort des utilisateurs. Nous progressons vers une architecture intelligente, réagissant comme une seconde peau pour l’homme. Cette évolution peut encore progresser par la prise en compte de processus naturels dans la conception architecturale. La nature ayant évolué depuis des milliards d’années, il représente un formidable laboratoire d’expérimentations. Ainsi, l’architecture et la biologie sont deux disciplines opposées en apparence, par la confrontation entre l’artificiel et le naturel. Toutefois, les recherches et applications récentes nous montrent que leurs limites deviennent de plus en plus floues et que la convergence de ces disciplines permet la création d’architectures plus efficientes.

La « construction biomimétique » est un processus implémentant la biologie en architecture et permet entre autres, de concevoir une architecture adaptée aux nouveaux environnements plus hostiles, en s’inspirant de précédents naturels. Tel l’adaptation d’un cactus aux climats arides extrêmes par exemple. Il permet également une meilleure relation aux organismes vivants (cf. projet Qatar Cacti Building, qui sera étudié dans ce chapitre), et une amélioration de la qualité de vie. 67

66

GRUBER Petra, biomimetics in architecture: architecture of life and buildings, Springer-Verlag/Wien, 2011, p.9 67 GRUBER Petra, biomimetics in architecture: architecture of life and buildings, Springer-Verlag/Wien, 2011, p.9

Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM 65

2020 / 2021

III.1.b / Applications biomimétiques en architecture Il existe plusieurs niveaux d'applications biomimétiques en architecture. Nous prenons en compte 3 dimensions principales, qui sont l’organisme, le comportement et l’écosystème. 68 Ce sont 3 domaines d'étude parmi lesquels nous pouvons retrouver 5 sous-formes de mimétisme possible. La conception pour s’inspirer de la nature selon ces caractéristiques : -

La forme, son esthétique

-

La fabrication, donc les différents matériaux qui la compose

-

La structure, qui peut inspirer la construction d’un bâtiment

-

Le fonctionnement, son processus

-

La fonction, le résultat engendré.

Figure 54 - Diagramme des formes du biomimétisme architectural (Source : 68)

Au niveau de l’organisme, il est possible de s’inspirer essentiellement des formes que l’on peut retrouver dans la nature, des « patterns » (motifs) présentant des qualités esthétiques ou des avantages structurels dont un projet peut tirer parti.

CHAYAAMOR-HEIL N., GUENA F., BELKADI N., Biomimétisme en architecture. Etat, méthodes et outils, Les Cahiers de la recherche architecturale urbaine et paysagère, 2018, p.5-6

68

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

66

Au niveau du comportement, on retrouve plus largement du mimétisme de processus ou de fonction. En effet, contrairement au « niveau organisme » ce n’est pas tant sa forme qui est intéressante mais plutôt son processus de fonctionnement.

Au niveau de l’écosystème, correspondant à l’échelle d’un quartier, d’une ville, les concepteurs s’inspirent du comportement général d’un système, liant harmonieusement ses composants, correspondant à la nature et à la relation des différentes espèces à leur environnement, par un écosystème stable, un cycle durable.

Ces trois niveaux de biomimétisme présentent de potentielles inspirations pour l’architecture. Seulement, il faut pouvoir transformer une observation et l’appliquer dans une solution architecturale. Nous ne sommes pas encore en mesure de fabriquer une architecture vivante, biologique et ne pouvons donc pas simplement la copier. Il y a une traduction à effectuer entre le naturel et l’artificiel. Il y a donc un travail d’abstraction à réaliser avant toute application.

Natchtigall a défini un processus de trois phases permettant cette traduction : la recherche, l’abstraction, l’application 69

Figure 55 - Méthode de conception par biomimétisme (Source : 69)

CHAYAAMOR-HEIL N., GUENA F., BELKADI N., Biomimétisme en architecture. Etat, méthodes et outils, Les Cahiers de la recherche architecturale urbaine et paysagère, 2018, p.16

69

Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM 67

2020 / 2021

III.1.c / Intégration du biomimétisme à l’architecture cinétique Méthodes du biomimétisme Afin d'appliquer le biomimétisme dans le domaine de l'architecture, la communauté scientifique a défini plusieurs méthodes d’approche qui diffèrent par leur point d'origine.70 La première méthode consiste à partir de la biologie. C'est-à-dire que les développements technologiques sont produits à partir de recherche en biologie. Cette méthode est appelée le « Biology Push ». La seconde méthode, appelée « Technology Pull », est une approche consistant à résoudre des problèmes techniques à partir de la biologie. Ce sont des produits technologiques déjà existants, qui se retrouvent améliorés grâce à des apports de connaissance de la biologie.

Il existe également une troisième méthode qui est la combinaison de ces deux premières, que l'on appelle le « Pool Research ». 71 C'est une méthode qui peut être privilégiée dans les domaines de la construction, de l'architecture et du design, puisque les projets ne disposent pas d'un grand temps de maturation, contrairement à des produits industriels qui peuvent être développés des années avant d'être commercialisés. L’architecture doit se produire rapidement et ne peut donc pas se permettre d’entreprendre de longues recherches pour un seul projet. L’architecture est un travail de combinaison, dont les réalisations sont uniques. La méthode du « Pool Research » consiste donc à récupérer des informations de recherches existantes en biologie, qui peuvent être avantageuses pour le bâtiment, selon son contexte.

70

POHL G., NACHTIGALL W., Biomimetics for Architecture & design: Nature, Analogies, Technology, Springer, 2015, p. 48 71 POHL G., NACHTIGALL W., Biomimetics for Architecture & design: Nature, Analogies, Technology, Springer, 2015, p. 49-50

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

68

Différentes applications biomimétiques L'adaptation de la nature à son environnement se fait par la détection, le traitement de l'information et la réaction. Ce processus naturel est similaire au fonctionnement d’une architecture cinétique adaptative. Cette réaction évolue dans le temps et diffère selon les échelles. On peut distinguer ainsi deux échelles dans lesquelles l'architecture cinétique adaptative

s'intègre

au

biomimétisme. 72

On

retrouve

d’une

part

l'échelle

« macroscopique » dans laquelle des parties, des composants fonctionnent de manière coordonnée selon un schéma, un processus inspiré de la nature. Le mouvement est induit mécaniquement, par un système sensoriel actif composé de capteurs. La seconde échelle est « microscopique » puisque l'inspiration biologique se fait au niveau cellulaire.

En effet, un mouvement est créé par la réaction chimique du matériau, suivant un système sensoriel passif.

La détection active enclenche un mouvement en réponse à un changement de l’environnement, mais la réaction est définie par l'homme et peut être changée, programmée.

La détection passive permet à l’architecture d'initier directement un actionnement qui serait dû à un changement des conditions physiques. C’est-à-dire qu'elle applique un changement de propriété du matériau sous l'influence de son environnement. Par exemple, nous verrons plus tard que les matériaux thermo-bimétalliques qui seraient exposés au rayonnement solaire, réalise un changement de forme du fait de l’augmentation de chaleur, selon les propriétés chimiques du matériau. L'inconvénient principal de ce système passif est que la réaction restera toujours la même. Elle surviendra lorsqu'un seuil d'un paramètre chimique est dépassé. Un autre exemple que nous explorerons plus tard et celui de la pomme de pin qui s'ouvre avec l'augmentation de l'humidité. Le mouvement ainsi que sa vitesse ne peuvent changer.

72 GRUBER Petra, biomimetics in architecture: architecture of life and buildings, Springer-Verlag/Wien, 2011, p.168-169

Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM 69

2020 / 2021

III.2 / BIOMIMÉTISME CINÉTIQUE ACTIF III.2.a / Inspiration d’un organisme

Figure 56 - Yeosu Pavillon – Soma Architects (Source : 73)

La façade cinétique du Yeosu Pavillon améliore la ventilation naturelle en captant et en guidant les vents à travers le bâtiment pendant les mi-saisons tempérées et non humides 73. Au cours de ces périodes, les systèmes de planchers radiatifs sont refroidis directement via un échangeur fonctionnant avec l´eau de mer. En plein été, la déshumidification de l´air et le refroidissement des planchers radiatifs sont assurés par des groupes froids à turbo-compression connectés à l´échangeur de chaleur. Pendant l´hiver, ces groupes froids sont inversés en pompe à chaleur et utilisent l´eau de mer comme source énergétique pour le chauffage par les planchers rayonnants et le système de ventilation mécanique. Des panneaux photovoltaïques sont intégrés à la toiture pour produire de l´électricité, fournissant environ les deux tiers de l´énergie consommée annuellement par les équipements du bâtiment.

Figure 58 – Yeosu Pavillon – Ouverture (Source : 73) Figure 58 - Yeosu Pavillon – Fermeture (Source : 73)

73

https://transsolar.com/projects/one-ocean-pavillon-expo-2012

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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Composition de la façade Le pavillon aborde le thème de l’océan et a été construit dans le cadre de l'Exposition Universelle de 2012 à Yeosu. Le système cinétique employé pour ce bâtiment est une réponse au thème de l'exposition qui est « l'océan vivant et la côte ». Ainsi, les équipes de Transsolar et de Knippers Halbi Advanced Engineering, ont collaboré main dans la main pour penser respectivement le concept climatique du bâtiment ainsi que la façade biomimétique. La façade principale est composée de lamelles verticales qui peuvent se mouvoir. Un système de contrôle actif gère le mouvement de ces lamelles, faisant varier l'exposition solaire au cours de la journée. Le contrôle n'est pas uniforme, chaque lamelle peut être actionnée individuellement ainsi que plusieurs degrés d’ouverture sont possibles. 74 Ces déformations non homogènes, donnent un aspect de vagues à la façade.

Ces lamelles sont constituées de plastique renforcé en fibre de verre. L'inspiration biomimétique se fait à l’échelle d'un organisme, le « Strelitzia Reginae » 75, également appelé l'oiseau de fleur du paradis. Les dimensions des lamelles sont uniques puisque la façade n'a pas la même hauteur sur toute sa longueur. Nous retrouvons ainsi des lamelles comprises entre 3 et 13 mètres de haut. Ce sont au total 108 lamelles qui sont installées.

L'ouverture se fait par le flambage de ces lamelles sur un des bords verticaux.

Figure 59 – Yeosu Pavillon - Lamelles plastique renforcé en fibres de verre (Source : 73)

KNIPPERS J., SCHEIBLE F., OPPE M., JUNGJOHANN H., Bio-inspired Kinetic GFRP-façade for the Thematic Pavillon of the EXPO 2012 in Yeosu, IASS-APCS Symposium 2012, p.1-2 74

75 KNIPPERS Jan, SPECK Thomas, Design and construction principles in nature and architecture, 2011, p.6

Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM 71

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Le chevauchement des lamelles et géré par des amortisseurs en caoutchouc. Le matériau employé pour ces lamelles possède une grande résistance à la traction et là flexion, permettant ces déformations réversibles.

Bio-Inspiration Le bâtiment s’inspire de l'oiseau de fleur de paradis. Cette fleur offre une plate-forme d'atterrissage pour les oiseaux, en forme de perche saillante recouverte de deux pétales.

L'oiseau vient se déposer sur celle-ci pour la polliniser, et lorsqu'il se penche les pétales battent sur le côté créant ainsi une ouverture. 76

Figure 60 – Fonctionnement de la fleur du paradis (Strelitzia Reginae) (Source : 76)

76 KNIPPERS Jan, SPECK Thomas, Design and construction principles in nature and architecture, 2011, p.6

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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III.2.b / Inspiration d’un comportement

Figure 61 - Council House 2 - Melbourne, Mick Pearce, DesignInc. (Source : 77)

Council House 2 est un immeuble de bureaux à Melbourne, en Australie, doté d’une façade cinétique. En plus de la façade, le projet comprend différentes stratégies d’économies d’énergies, comme l’énergie éolienne avec des turbines sur le toit, un plafond réfrigéré, un système de refroidissement par évaporation, ainsi que des panneaux solaires en toiture. 77 CH2 est l’extension d'un immeuble de bureaux existant, pensé par le cabinet d'architecture DesignInc. C'est un bâtiment de 10 étages qui a reçu 6 étoiles à la distinction Green Building par le Conseil Australien. Il est actuellement un des bâtiments les plus économes en énergie du monde. La ville de Melbourne voulait que ce bâtiment soit un véritable symbole d'innovation environnementale, à la fois à l'échelle locale mais aussi à celle du pays et du monde entier. La stratégie bioclimatique du bâtiment repose sur plusieurs solutions, dont l'une s'inspire directement de la nature.

Dans le cadre de ce projet biomimétique, c'est le comportement des termitières qui a inspiré les architectes, pour son système de chauffage et de refroidissement. 78 Elles emploient deux stratégies de ventilation pour réguler la température à l'intérieur du monticule, selon l'ouverture ou la fermeture de la partie supérieure. Si le sommet du

77

https://designinc.com.au/projects/vic/ch2-melbourne-city-council-house-2

MOHAMED N., BAKR A., HASAN A., Energy Efficient Buildings in Smart Cities: Biomimicry Approach, Alexandria University, 2019, p. 4 78

Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM 73

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monticule est fermé, il se produit un phénomène appelé « flux thermosiphon » qui est en fait une aspiration de la chaleur interne vers l'extérieur par les différentes galeries creusées. Ainsi, de l'air plus frais redescend vers le nid. Si la partie supérieure est ouverte, un système passif prend alors le relai, c'est l’effet Venturi. C'est un système comparable à celui du tirage thermique pour un bâtiment. L’ouverture supérieure permet à l'air chaud de remonter et de s'échapper de la termitière, tandis que des ouvertures à la base vont aspirer de l'air frais extérieur, ce qui est causé par la dépression provoquée par la chaleur s’échappant du haut. 79

Figure 62 - Council House 2 - Bio-inspiration de la ventilation (Source : 77)

Ainsi, ce processus de gestion de la chaleur interne a été appliqué au bâtiment par une série de cheminées de ventilation, sur les façades nord et sud. 80 Les ouvertures sont contrôlées pour fonctionner comme des pores. Un plafond ondulé en béton vient également participer au confort thermique par ses qualités de forte inertie. Si les cheminées de ventilation ont été placées sur les façades nord et sud c'est parce que la façade nord est la plus exposée au soleil, alors que la façade sud ne l'est pas. Ainsi, plus l'air est chaud dans la partie nord du bâtiment, plus il va monter et être remplacé par de l'air frais venant de la façade sud. La journée, le plafond en béton emmagasine de la chaleur qui sera ensuite déchargée, grâce à l’air frais de la nuit. Les panneaux de façade peuvent également pivoter en suivant la course du soleil pour contrôler le gain solaire direct, et ainsi réduire la chaleur et l’éblouissement pour le confort des usagers.

MOHAMED N., BAKR A., HASAN A., Energy Efficient Buildings in Smart Cities: Biomimicry Approach, Alexandria University, 2019, p. 4 79

80 MOHAMED N., BAKR A., HASAN A., Energy Efficient Buildings in Smart Cities: Biomimicry Approach, Alexandria University, 2019, p. 5

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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Figure 63 - Council House 2 - Melbourne, Mick Pearce, DesignInc. - Façade nord (Source : 77) Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM 75

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III.2.c / Inspiration d’un écosystème Le Qatar Cacti Building est un immeuble de bureaux qui a été conçu pour le ministère des Affaires municipales à Doha, qui est connu pour son temps extrêmement chaud et le soleil intense du désert. Le bâtiment est conçu par Aesthetics Architects.

En tenant compte de l'environnement désertique dans lequel le projet se trouve, la forme et le fonctionnement du bâtiment ont été inspiré du cactus. En effet, le cactus évite de perdre de l'humidité en utilisant ses épines, ce qui empêche l'air de sortir de la peau, le gardant ainsi au frais. 81 La seconde fonction de ses épines est de créer de l'ombre sur la peau du cactus, afin de le protéger du soleil, tout comme le système d’ombrage pensé pour ce bâtiment.

Figure 64 - Qatar Cacti Building Aesthetics Architects (Source : Designboom.com)

Le bâtiment est recouvert de sa base jusqu’à sa toiture de panneaux de façade inspirés des épines du cactus. Ils sont actionnés à l'aide d'un système de gestion actif provoquant son ouverture et sa fermeture selon l'intensité du soleil. Le bâtiment utilise également un système passif de gestion des déchets. Un système particulièrement innovant a été mise en place sur la gestion de l'eau usée. En effet, différents êtres vivants viennent décomposer les polluants présents dans l'eau, ils se nourrissent chacun des nutriments dont ils ont besoin. On retrouve notamment des bactéries, des champignons, des plantes, mais aussi des escargots, des poissons et des crustacés. Ainsi, au-delà de la bioinspiration pour la façade cinétique, un écosystème a été mis en place.

MOHAMED N., BAKR A., HASAN A., Energy Efficient Buildings in Smart Cities: Biomimicry Approach, Alexandria University, 2019, p. 3

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ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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La surface des panneaux de façade contient des variations d'opacité comme on peut le voir sur l’illustration ci-dessous. Elles contrôlent la quantité de lumière du soleil pénétrant dans le bâtiment et ainsi la propagation de lumière naturelle. 82

Figure 65 - Inspiration du cactus (Source : Designboom.com)

82 MOHAMED N., BAKR A., HASAN A., Energy Efficient Buildings in Smart Cities: Biomimicry Approach, Alexandria University, 2019, p. 3

Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM 77

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III.3 / BIOMIMÉTISME A L’ÉCHELLE MICROSCOPIQUE La nature présente des capacités d’adaptation et de réactivité, dont l’architecture doit s’inspirer. L’application de ces phénomènes biologiques à l’architecture permettrait de se passer de système mécanique et de se servir des apports de l’environnement comme source d’énergie.

Il existe deux sortes de mouvements réactifs des plantes 83 : - l’action par la pression cellulaire active - le mécanisme de déclenchement métabolique

III.2.a / Peau Hygro-sensitive La pomme de pin est un exemple de déclenchement métabolique, dont s’est inspiré Achim Menges dans la création d’un matériau hygroscopique, qui leur ont permis de réaliser différentes installations cinétiques.

Figure 66 - Réaction hygro-sensitive de la pomme de pin (Source : 83)

Par temps sec, la pomme de pin ajuste son niveau d’humidité avec son environnement.

Le changement du taux d’humidité provoque un changement de la taille de la matière, entraînant à son tour un changement de taille de la pomme de pin. Ce déclenchement métabolique est dû à un mouvement hygroscopique. L’absorption et la restitution d’humidité permet à la pomme de pin d’être constamment en équilibre avec le taux

83 FOX Michael A., Interactive Architecture: Adaptive World, Princeton Architectural Press, 19 Avril 2016, p. 125

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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d’humidité de son environnement. Ce système naturel permet donc de créer un mouvement par les propriétés du matériau, en utilisant l’environnement comme seule source d’énergie. Achim Menges a réussi à créer un matériau réactif, en combinant du bois et un polymère renforcé de fibres synthétiques. Le caractère hygroscopique du bois est connu mais pose des problèmes en tant que matériau de construction. Achim Menges développe le projet HygroScope pour au contraire, se servir de cette faculté pour qu’elle devienne un mécanisme déclencheur d’un changement de forme, sous influence de l’humidité environnante.

Ce mouvement hygroscopique peut être contrôlé selon différents paramètres 84 : - la direction des fibres - la formulation du composite bois / polymère - les variations de longueur, largeur, épaisseur - la géométrie de l’objet Ces paramètres permettent de calibrer l’objet de sorte à obtenir précisément la réaction souhaitée. La variation de ces paramètres permet même d’obtenir des mouvements contraires pour un même niveau d’humidité.

Figure 67 - HygroScope - Achim Menges (Source : 84)

L’installation HygroScope est installée au Centre Pompidou en tant que collection permanente. Elle est enfermée dans une vitrine où des conditions variables d’humidité

84 FOX Michael A., Interactive Architecture: Adaptive World, Princeton Architectural Press, 19 Avril 2016, p. 125

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sont simulées pour faire réagir l’installation. La simulation tente de se calquer sur l’humidité ambiante de l’extérieur. Elle est composée de quatre mille unités de même composition. L’installation est fermée en conditions de faible humidité. Chaque élément subit un mouvement en cas d’augmentation du taux d’humidité.

Achi Menges a également réalisé HygroSkin, commandé par la FRAC d’Orléans pour sa collection permanente. 85 L’installation est une boîte constituée de 28 panneaux de bois préfabriqués par un robot. Ce « pavillon météo-sensitif » est l’aboutissement de cinq années de recherche sur la réactivité des matériaux en cas de variations climatiques. Le bois se conjugue ici à un matériau composite qui amplifie sa réaction à l’humidité, toujours selon le principe de la pomme de pin : la présence d’eau dans les rainures du bois modifie la distance entre chaque microfibre. Ici, contrairement à l’installation HygroScope, l’augmentation du taux d’humidité environnant va provoquer une fermeture des petites ouvertures, agissant ainsi comme une protection, un abri contre les conditions météorologiques. Ce système permet de produire des différences en termes de luminosité, de ventilation, ou de température.

Figure 68 - HygroSkin – Achi Menges – Fonctionnement (Source : 85)

La réactivité du matériau a été configuré sur une plage de 30 à 90% d’humidité (voir différentes réactions selon le pourcentage d’humidité, sur l’image ci-contre), utilisant ainsi le spectre complet des zones tempérées.

85 FOX Michael A., Interactive Architecture: Adaptive World, Princeton Architectural Press, 19 Avril 2016, p. 125

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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III.2.b / Peau thermo-sensitive Le thermo-bimétal est un autre composite dont le déclenchement métabolique s’exerce par l’augmentation de température. 86 Il est l’association par strates de deux matériaux métalliques, avec des coefficients de dilatation différents, ayant pour effet de s’enrouler lorsque ce composite est chauffé. Il permet ainsi comme les installations d’Achim Menges, d’effectuer un mouvement dépourvu de système mécanique, sous l’impulsion de facteurs environnementaux. Le thermo-bimétal s’enroule selon l’échauffement entraîné par des rayons solaires ou par une augmentation de la température ambiante. Le studio de Doris Sun, DoSu, a effectué divers travaux de recherche ainsi que des installations par l’application des propriétés du thermo-bimétal.

Figure 69 - Bloom – DoSu (Source : 87)

L’installation Bloom est un dispositif de « tracking » du soleil pour indiquer le temps et la température. Sa surface réactive composée de neuf mille carreaux thermobimétalliques 87, sont tous de géométrie différente. Afin d’accroitre le degré de réaction de l’installation, sa forme et sa disposition font qu’elle est orientée sur l’arc solaire. Cette peau permet de ventiler ou ombrer intelligemment des zones spécifiques de l’installation.

En collaboration avec TBM Design, le studio de Doris Sung a développé une façade double peau intégrant des motifs en thermo-bimétal, permettant par l’augmentation de chaleur

FOX Michael A., Interactive Architecture: Adaptive World, Princeton Architectural Press, 19 Avril 2016, p. 125

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https://www.dosu-arch.com/ Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM

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de cette double peau, de changer de forme pour ombrer la surface vitrée intérieure. Le thermo-bimétal

d’abord

utilisé

par

expérimentations dans de petites installations va donc bientôt faire ses preuves à l’échelle d’un projet d’architecture. En France, une autre Figure 70 - Invert Auto-Shading Windows réalisation va utiliser le thermo-bimétal dans sa

Prototype (Source : 87)

façade.

C’est l’agence Art & Build qui concevra un nouveau siège pour le Centre international de recherche sur le cancer à Lyon. L’utilisation d’éléments en bois massif sera une caractéristique majeure dans la composition de la façade. Deux autres innovations technologiques doivent être intégrées et offrent une identité unique à l’architecture. 88 La protection solaire passive sera assurée par un matériau thermo-bimétallique en forme de pétale de fleurs, et le vitrage thermo-réactif deviendra partiellement opaque pour révéler des motifs organiques. Les deux techniques sont activées uniquement par l’énergie du soleil, nécessitant peu d’intervention humaine, réduisant la consommation d’énergie et les coûts d’entretien.

Figure 71 - CIRC Lyon – Art & Build (Source : 88)

Selon la luminosité de la journée, le système d’obturateur peut être étalonné pour masquer complètement l’espace intérieur, si nécessaire. Appliqué sur une grande surface exposée au soleil, ce système de panneaux peut aider à réduire le gain de chaleur, à réduire le besoin de climatisation artificielle et à économiser l’énergie. Sans besoin de commandes manuelle, ce système peut fonctionner indéfiniment.

88

https://www.artbuild.com/work/circ-centre-international-de-recherche-sur-le-cancer

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III.2.c / Peau organique vivante

Figure 72 – BIQ House – Arup (Source : 90)

La façade du BIQ (BIO Intelligent Quotient) House est unique au monde, c'est une façade réactive à son environnement, mais en plus d'assurer une isolation thermique et lumineuse, elle produit de l'énergie, la définissant ainsi en tant qu’une « façade bioréacteur » 89. Le projet dessiné par Arup comporte 5 étages desservant 15 appartements. 90 Des cages de verre en façade sont remplies de microalgues cultivées.

Ces microalgues sont alimentées en nutriments liquides et en dioxyde de carbone par un circuit d’eau séparé, traversant les différents compartiments. Avec l’apport de rayonnements solaires directs, les algues se développent grâce au phénomène de photosynthèse. Ainsi, l’apport solaire étant important en été, sa croissance est accélérée, minimisant l’apport lumineux et thermique à l’intérieur du bâtiment.

Une fois que la croissance des algues atteint sa capacité maximale, un système permet de les transférer dans la salle technique du bâtiment. Elles sont ensuite fermentées dans une usine de biogaz externe, et peuvent être réutilisées pour la production de biogaz. La

89

https://www.internationale-bauausstellung-hamburg.de/en/projects/the-building-exhibition-withinthe-building-exhibition/smart-material-houses/biq/projekt/biq.html 90

https://phys.org/news/2013-04-algae-powered-hamburg.html Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM

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part d’énergie solaire qui n'est pas utilisée par les algues peut être stockée par l’eau salée contenue dans les capsules. Cette chaleur est ensuite utilisée directement pour l'eau chaude et le chauffage, ou bien peut être préservée en étant transférée à 80 mètres de profondeur sous la terre, dans un dispositif de stockage thermique.

Le bâtiment montre que les façades doivent remplir de plus en plus de fonctions différentes. Plus qu’un revêtement esthétique, elles nous protègent des conditions climatiques et peuvent se servir de ces apports pour produire de l’énergie, à l’aide de la biomasse d’algues récoltée à partir de sa propre façade. Ce concept durable est capable de créer un cycle d’énergie solaire thermique et géothermique. 91 Le bâtiment est un essai, suivi de près par des architectes et ingénieurs du monde entier. Si ce concept fonctionne dans le temps, il servira Figure 73 - BIQ House Panneau de façade (Source : 90)

de modèle pour le développement d’autres projets utilisant cette solution.

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https://www.internationale-bauausstellung-hamburg.de/en/projects/the-building-exhibition-withinthe-building-exhibition/smart-material-houses/biq/projekt/biq.html ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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CONCLUSION L’architecture cinétique adaptative est un nouveau domaine d’exploration, dont le développement a été rendu possible par l’impulsion de la révolution informatique. En effet, les quelques réalisations du XXème siècle se voulaient simples, principalement des projets de bâtiments construits sur une dalle rotative, mise en mouvement par l’homme ou un système mécanique, et toujours actionné manuellement. La naissance de l’informatique a permis dans les années 60, l’arrivée d’une architecture cinétique autonome avec l’effervescence des restaurants sur plateau tournant. La gestion intelligente d’une façade complexe s’adaptant à son environnement n’est pas possible sans un système informatique performant, c’est pour cela que ces façades ne sont apparues qu’à partir du XXIème siècle.

La mise en place d’un système intelligent en architecture cinétique adaptative n’est pas obligatoire. Pour une adaptation spatiale, c’est encore l’homme qui a le pouvoir de décision. L’informatique est en revanche bien plus efficace que l’homme quand il s’agit de décider l’action d’un mouvement dans le cadre d’une réponse à un changement climatique. Elle permet de prendre la décision optimale pour chaque composant d’une façade cinétique, pour accroître ses performances énergétiques. Cependant, malgré une efficacité prouvée de ce système dans le cadre de la réduction de la consommation énergétique, ces systèmes complexes revêtent d’autres problématiques, tel que le rapport investissement/ rendement, ainsi que celle de l’entretien des pièces. Par exemple, j’ai dû exclure l’analyse de l’Institut du Monde Arabe de Jean Nouvel, puisque ses composants sont tellement nombreux et leur assemblage tellement complexe, que la plupart des pièces de sa façade ne sont plus en état de fonctionner. Le coût étant tellement élevé pour les remplacées, l’institut a décidé d’éteindre le système. 92 La question des coûts et de la durabilité des pièces est un problème qui pourrait être partiellement résolu par la standardisation de l’emploi de façades cinétiques. Des systèmes cinétiques simplifiés pourraient être installés sur des façades standards de

HAIDARI H., Decisive design aspects for designing a kinetic façade, Eindhoven University of Technology, p.15

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ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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bureaux, bien que les projets les plus complexes nécessitent la création d’une façade cinétique unique, Outre les bénéfices qu’apporteraient la standardisation, une autre voie prometteuse est possible, celle du biomimétisme. Par exemple, le matériau employé dans le Yeosu Pavillon, le Flectofin, est un système de brise-soleil capable de pivoter à 90 degrés par déformation 93, sans l’utilisation de charnières, des pièces qui seraient amené à être changées et donc un entretien potentiellement coûteux selon leur nombre. La nature expérimente sans cesse depuis des milliards d’années et la prise de conscience de son efficacité entraine de plus en plus de réalisations s’inspirant d’elle. Ainsi, des façades cinétiques adaptatives s’inspirent du comportement de certaines espèces pour accroitre leurs performances. Au-delà du mimétisme d’une qualité naturelle « visible », c’est également un mimétisme à l’échelle « microscopique » des propriétés chimiques et physiques d’un matériau naturel, qui inspirent de nouveaux matériaux innovants (tel que le Flectofin) appelés « Matériaux Intelligents ». Le mouvement est induit par une réaction chimique provoquée par un changement de son environnement. Le système n’est pas informatisé, ni mécanisé et pourtant, il réagit intelligemment aux changements de conditions climatiques. Achim Menges a créé un matériau en bois composite se calquant sur le fonctionnement d’une pomme de pin, qui se referme par temps chaud pour garder son humidité. Doris Sung, elle, explore les propriétés du thermo-bimétal, matériau à mémoire de forme qui se transforme par le dépassement d’un seuil de chaleur. Ces matériaux offrent de multiples avantages tels qu’un coût de maintenance réduit, ainsi qu’une consommation d’énergie nulle pour actionner le mouvement. La seule source d’énergie de ce mouvement est l’environnement.

Enfin, au-delà du concept « cinétique adaptatif » à l’échelle du bâtiment, nous pouvons réfléchir quelle pourrait être sa place à l’échelle d’un quartier, d’une ville. Nous pouvons faire écho aux courants de pensée de la deuxième partie du XXème siècle. Archigram a imaginé des « villes machines » 94 en mouvement mais dont les composants seraient statiques. Une autre approche est proposée à travers les travaux de réflexion de Yona

93

https://asknature.org/idea/flectofin-hingeless-louver-system/

94

https://indexgrafik.fr/archigram/ Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM

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Friedman, proposant un « urbanisme spatial » 95 où la ville serait composée de structures flexibles, modifiées selon les besoins.

Le développement de l’intelligence artificielle ainsi que la mise en réseau des différents composants de la ville, amèneront peut-être de nouvelles conceptions, incluant le mouvement comme une part essentielle de leur programme. L’intelligence artificielle apportera une certaine flexibilité à ce mouvement et sera capable de proposer des solutions rapides, prédictives, issues d’une réflexion intelligente qui s’est construite par l’analyse de précédentes expériences. 96

95

http://www.frac-centre.fr/collection-art-architecture/friedman-yona-58.html?authID=72

CHAILLOU Stanislas, Conférence IA & Architecture, Pavillon de l’Arsenal, 2020, URL : https://www.facebook.com/PavillonArsenal/videos/889535584839133 96

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Sites Internet Définition « cinétique » : www.cnrtl.fr/definition/cinetique Colisée de Rome : http://www.velario-colosseo-velarium-colosseum.com/ Yona Friedman : http://www.frac-centre.fr/collection-art-architecture/friedman-yona58.html?authID=72 Cédric Price : https://www.moma.org/collection/works/842 Archigram : https://indexgrafik.fr/archigram/ Rotating House – Georges Clark : https://www.housebeautiful.com/uk/renovate/homesmakeovers/news/a989/amazing-spaces-george-clarke-william-hardie-futuristicrotating-house/

ENSAM - Mémoire de Master – Maxence Fromentin 2020 / 2021

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Fiches du projet « The Shed » : https://dsrny.com/project/the-shed www.architonic.com www.gooood.cn/the-shed-by-diller-scofidio-renfro-rockwell-group.htm, Fiches de projet « Sliding House » : www.dezeen.com/2009/01/19/sliding-house-by-drmm-2/, arch5541.wordpress.com/2012/10/11/material-interrogation-sliding-house/ Fiches de projet « Apple Dubaï Mall » : www.fosterandpartners.com/projects/apple-dubai-mall/, www.archdaily.com/870357/apple-dubai-mall-foster-plus-partners,

Fiche de projet « Q1 Headquarters »: https://facadesconfidential.blogspot.com/2010/12/thyssenkrupp-quarter-facadesgiants.html

GELI Enric Ruiz, Media-ICT, Texte de présentation et plans PDF disponibles sur https://www.dropbox.com/sh/zduwuarjv9cmo5n/AABPVkHUXp9TSjZ6DIC3_pOHa?dl=0

Fiche de projet « Yeosu pavillon »: https://transsolar.com/projects/one-ocean-pavillonexpo-2012

Fiche de projet « Council House 2 »: https://designinc.com.au/projects/vic/ch2melbourne-city-council-house-2

Projets de Doris Sung: https://www.dosu-arch.com/

Fiche de produit « Flectofin »: https://asknature.org/idea/flectofin-hingeless-louversystem/

Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM 93

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Fiche de projet « CIRC » : https://www.artbuild.com/work/circ-centre-international-derecherche-sur-le-cancer

Fiches de projet BIQ House: https://www.internationale-bauausstellung-hamburg.de/en/projects/the-buildingexhibition-within-the-building-exhibition/smart-material-houses/biq/projekt/biq.html https://phys.org/news/2013-04-algae-powered-hamburg.html

Vidéos / Conférences CLARK Georges, Rotating House : https://www.youtube.com/watch?v=fJQLYsMQgZA CHANG Gary, The 34m² Appartment : https://www.youtube.com/watch?v=WB2-2j9e4co CHAILLOU Stanislas, Conférence IA & Architecture, Pavillon de l’Arsenal, 2020, URL : https://www.facebook.com/PavillonArsenal/videos/889535584839133

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TABLE DES ILLUSTRATIONS Figure 1 - Colisée de Rome aux siècles des Césars ............................................................ 14 Figure 2 - Colisée de Rome en 2019 .................................................................................... 14 Figure 3 - Heliotropic House – Eugène Pettit - 1903............................................................ 15 Figure 4 - Revolving Solarium - Jean Saidman -1935.......................................................... 15 Figure 5 - Kelling Sanatorium for Working Men in Norwich ................................................. 16 Figure 6 - Rotating Writing Shed - George Bernard Shaw.................................................... 16 Figure 7 - Villa Girasole - Angelo Invernizzi ......................................................................... 16 Figure 8 - Rotogarage – Albert Buranelli ............................................................................. 17 Figure 9 - Space Needle - Edward E. Carlson...................................................................... 17 Figure 10 - Spatial Town - Yona Friedman........................................................................... 18 Figure 11 - Fun Palace - Cedric Price ................................................................................... 18 Figure 12 - Cities : Moving - Archigram ............................................................................... 20 Figure 13 - MegaFaces - Asif Khan Ltd.Figure 13 - Plug-In City - Archigram ..................... 20 Figure 14 - MegaFaces - Asif Khan Ltd. .............................................................................. 23 Figure 15 - Milwaukee Art Museum - Santiago Calatrava ................................................... 26 Figure 16 – Schéma Contrôle Indirect................................................................................. 28 Figure 17 – Schéma Contrôle Indirect Réactif..................................................................... 28 Figure 18 - Schéma Contrôle Indirect Réactif Omniprésent ............................................... 29 Figure 19 - Schéma Contrôle Indirect Heuristique et Réactif ............................................. 30 Figure 20 - Court Philippe-Chatrier - Serge Ferrari............................................................. 32 Figure 21 - Rolling Bridge - Heatherwick Studio ................................................................. 33 Figure 22 – Rotating House - Georges Clark ...................................................................... 35 Figure 23 - 32m² Apartment - Gary Chang ......................................................................... 36 Figure 24 - Mouvements façade cinétique - "Designing Kinetics For Architectural Façades

: State Change" - Jules Moloney .........................................................................................37 Figure 25 - The Shed - Diller Scofidio + Renfro ................................................................... 39 Figure 26 - The Shed - Schéma de principe cinétique ....................................................... 40 Figure 27 - The Shed - Rails et roues .................................................................................. 41 Figure 28 - Sliding House - drMM Architects ...................................................................... 42 Figure 29 - Sliding House - Principe de conception ........................................................... 43 Figure 30 - Sliding House – drMM ....................................................................................... 43

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Figure 31 - Apple Store Dubaï Mall - Foster + Partners ....................................................... 44 Figure 32 - Apple Store Dubaï Mall – Détails techniques des ailes .................................... 45 Figure 33 - Apple Store Dubaï Mall - Foster + Partners ...................................................... 45 Figure 34 – Eco-29 - FoxLin and Braham Architects ......................................................... 46 Figure 35 - Eco-29 - FoxLin and Braham Architects – Schémas de scénarii d’aménagement .............................................................................................................................................47 Figure 36 - Heliotropic House - Rolf Disch ......................................................................... 48 Figure 37 – Heliotropic House -Vues du projet ................................................................... 49 Figure 38 - Q1 Headquarters - JSWD Architekten + Chaix & Morel et Associés .................. 50 Figure 39 - Q1 Headquarters – Détail de fonctionnement ................................................... 51 Figure 40 - Façade Q1 Headquarters .................................................................................. 52 Figure 41 - Media-TIC – Cloud-9.......................................................................................... 52 Figure 42 - Media-TIC - Cloud-9 - Façade pneumatique ................................................... 53 Figure 43 - Al Bahr Towers - Aedas .................................................................................... 54 Figure 44 – Protection solaire dynamique.......................................................................... 55 Figure 45 - Inspiration biomimétique ................................................................................. 56 Figure 46 - Al Bahr Towers - Composants des unités de façade ....................................... 56 Figure 48 - Ecran de contrôle de la façade ........................................................................ 57 Figure 49 - Al Bahr Towers – Ouverture et fermeture ......................................................... 58 Figure 53 - Façade Al-Bahr Towers ..................................................................................... 61 Figure 54 - Diagramme des formes du biomimétisme architectural ................................ 66 Figure 55 - Méthode de conception par biomimétisme..................................................... 67 Figure 58 - Yeosu Pavillon – Soma Architects ................................................................... 70 Figure 60 - Yeosu Pavillon - Fermeture ............................................................................. 70 Figure 60 – Yeosu Pavillon - Ouverture .............................................................................. 70 Figure 61 – Yeosu Pavillon - Lamelles plastique renforcé en fibres de verre ..................... 71 Figure 62 – Fonctionnement de la fleur du paradis (Strelitzia Reginae) .............................72 Figure 63 - Council House 2 - Melbourne, Mick Pearce, DesignInc. .................................. 73 Figure 64 - Council House 2 - Bio-inspiration de la ventilation...........................................74 Figure 65 - Council House 2 - Melbourne, Mick Pearce, DesignInc. - Façade nord ........... 75 Figure 66 - Qatar Cacti Building - Aesthetics Architects.................................................... 76 Figure 67 - Inspiration du cactus......................................................................................... 77 Figure 68 - Réaction hygro-sensitive de la pomme de pin ................................................ 78 Figure 69 - HygroScope - Achim Menges ........................................................................... 79 Maxence Fromentin – Mémoire de Master - ENSAM 97

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Figure 70 - HygroSkin – Achi Menges - Fonctionnement ................................................... 80 Figure 71 - Bloom - DoSu ..................................................................................................... 81 Figure 72 - Invert Auto-Shading Windows Prototype .......................................................... 82 Figure 73 - CIRC Lyon – Art & Build ..................................................................................... 82 Figure 74 – BIQ House - Arup .............................................................................................. 83 Figure 75 - BIQ House - Panneau de façade ...................................................................... 84

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ARCHITECTURE CINÉTIQUE ADAPTATIVE Ce mémoire aborde dans un premier temps la place du mouvement dans l’architecture. Cette étude passe d’abord par un historique de différents projets ayant été des précurseurs dans les procédés cinétiques, notamment au XXème siècle, qui a été une époque d’expérimentations.

Outre les projets employant le mouvement, ce sont également les courants de pensée développés durant ce siècle qui ont servi d’inspiration à nos réalisations modernes. Cet historique permet d’installer le thème, suivi d’une partie définissant les nuances que l’on retrouve en architecture cinétique, un travail essentiel permettant de définir plus précisément le sujet à développer par la suite. Nous verrons donc que le terme « architecture cinétique » renvoie à un domaine d’étude bien trop vaste pour ce mémoire.

Après une exploration des définitions, détaillées par des exemples de projets, nous retiendrons le terme « architecture cinétique adaptative » comme thème de développement, qui désigne toute architecture en mouvement s’adaptant à divers facteurs, tels que l’adaptation spatiale par rapport à l’homme, actionnée par celui-ci, ou bien l’adaptation environnementale, qui capte les informations de son environnement et renvoie une réponse issue d’un système informatisé intelligent. C’est également la question des performances qui sera traitée, pour justifier quantitativement si l’architecture cinétique adaptative est une solution viable pour la réduction de la consommation énergétique des bâtiments. Divers projets seront analysés, tous ayant des spécificités couvrant toutes les possibilités de l’architecture cinétique adaptative. Une étude de cas sera également faite sur un projet de grande envergure, permettant de détailler l’inspiration, la conception, le système structurel, le système informatisé, ainsi que les performances atteintes de ce projet.

Enfin, nous explorerons le domaine du biomimétisme, s’entremêlant avec l’architecture cinétique adaptative pour proposer des solutions innovantes qui seront amenées à se développer dans le futur. Nous définirons ce lien, ainsi que les subtilités des différentes échelles de l’inspiration biomimétique, et ce qu’elles peuvent apporter de plus qu’une conception traditionnelle.

Mémoire de Master rédigé par Maxence Fromentin, Sous la direction d’Elodie Nourrigat, Professeur 2020 / 2021

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