Architecture organique et enjeux du numérique by Nicolas Charles

Nicolas CHARLES MÃ©moire de Master 2017

ARCHITECTURE ORGANIQUE ET ENJEUX DU NUMERIQUE

Professeurs encadrants : Nabil BEYHUM

Olivier BOUET

Mémoire de fin d’études Etudiant : Nicolas CHARLES

Enseignants encadrants : Nabil BEYHUM (principal) Olivier BOUET (secondaire)

Université : Ecole Nationale Supérieure d’Architecture de Paris-Val de Seine

Domaine d’études : DE 2 : Matérialité de l’édifice - Forme / Usage / Technique

Séminaire : Projet constructif, innovation, morphologie des surfaces, structures légères

Années : 2016-2017

Préambule Les enjeux environnementaux actuels et le développement du monde numérique sont des moteurs de changement puissants au sein de notre société. Ils invitent à une remise en question de nos pratiques par l’apparition de nouvelles méthodes de conception et de fabrication, nous incitant à repenser notre position sur la Terre et le fondement de la profession d’architecte. Longtemps vue comme une ressource, laissant place au pillage sot et irréfléchi, la Terre nous lance ses signaux d’alarmes. A l’heure où l’évolution technologique est continue, ce siècle nous offre la possibilité de travailler de manière responsable, en se servant d’elle comme fondement, afin de rétablir une relation entre la Terre et la progression humaine. “Etablir une réconciliation entre l’Homme et la Nature, pour permettre l’émergence et le développement de modes de vie sains et durables.” Tel est pour moi le rôle des architectes du XXI siècle.

Remerciements Je souhaite adresser mes remerciements à mes tuteurs, M. Nabil Beyhum et M. Olivier Bouet, pour leurs précieux conseils dans la rédaction de ce mémoire, ainsi qu’ à Mme Eve Ross pour avoir guidé mon début d’écriture. Je remercie l’ensemble des professeurs, en particulier M. P. Cecarinni, M. J.F. Laurent, et M. E.Vicarini pour le temps qu’ils ont consacré à répondre à mes nombreuse questions tout au long de mon parcours universitaire. Je remercie mes collègues et amis de l’Association FabLab ENSAPVS, des échanges et des débats réguliers, mais aussi pour les projets réalisés ensemble, qui m’ont ouvert à une nouvelle vision de l’architecture. Enfin, je souhaite remercier sincèrement mes proches, ma famille et en particulier mon père, pour leur soutien et encouragement durant mon apprentissage du métier d’architecte. MERCI.

Table des matières Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1. Le monde numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1 Impact du monde numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.1.1 L’outil numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.1.2 Les visions des théoriciens de l’architecture. . . . . . . . 14 1.2 Evolution de l’architecture non standard . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.1 Le mouvement Blob . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.2 L’architecture paramétrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2. Partie II : La conception algorithmique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1 Introduction à la computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.1 La conception algorithmique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.2 La programmation générative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2 Système de division complexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.1 Les algorithmes fractales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.2 Le système de Lindenmayer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3 Les algorithmes génétiques et évolutionnaires . . . . . . . . . . . . 28 2.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.2 Cas d’étude d’un algorithme génétique . . . . . . . . . . . 30 2.4 Les algorithmes d’optimisation topologique. . . . . . . . . . . . . . . 32 2.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.4.2 Cas d’étude des algorithmes BESO . . . . . . . . . . . . . . 33 2.4.3 L’optimisation topologique pour la fabrication additive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3. Partie III : Le form finding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.1 La morphogénèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1.1 L’origine morphologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1.2 D’Arcy THOMPSON, la théorie des transformations .. 39

3.2 De la maquette physique à la maquette virtuelle . . . . . . . . . . . . . . 40

3.3 Le champs climatique et environnemental . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.4 Le champs physique et structurel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4. Partie IV : Cas d’études : les architectes de l’optimisation . . . . . . . . 46 4.1 Antonio GAUDI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Une tendance pour les surfaces réglées . . . . . . . . . . . . . Cas d’étude de la facade de la Passion . . . . . . . . . . . . . . L’arc optimal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48 50 82 53

4.2 Frei OTTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2.2 L’optimisation structurelle : les forces de tension . . . . 59 4.2.3 Les surfaces minimales : tension des bulles de savons . 60 4.2.4 Les surfaces tendues pour l’architecture . . . . . . . . . . . . 61 4.3 Richard BUCKMINSTER FULLER. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.3.2 Le dôme géodésique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.3.3 La tenségrité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6. Lexique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 7. Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 8. Annexes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

8.1 La fabrication numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 8.2 Luc SCHUITEN, archiborescence et utopies urbaines . . . . . . . . 81

Introduction l’ar L’écologie est devenue un sujet sur lequel la société prête de plus en plus attention, il semble primordial de trouver des alternatives à nos démarches architecturales, tant dans la conception que dans la construction. La volonté de concevoir une architecture organique a été l’un des principaux facteurs qui m’a incité à entreprendre des études d’architecture. Elle est restée au coeur de mes préoccupations dans ma formation au métier. Durant mes années d’apprentissage, je me suis rendu compte que l’approche organique ou biomimétique étaient bien souvent écartée du processus de conception architecturale, et l’approche écologique était très souvent contenue à un registre très réglementaire technique. La création d’un Fablab étudiant il y a quelques années m’a ouvert à un ensemble de nouveaux champs, ceux de la computation et de la morphogénèse numérique, amenant en moi de nouvelles intuitions. Ce mémoire était l’occasion de pouvoir mettre à plat mes connaissances et entreprendre des recherches qui me tenaient à coeur, pour répondre à cette question qui m’a tant attiré pendant mes études : Selon quels moyens ou par quelles méthodes peut-on produire une architecture organique ? Prenant comme fil directeur l’outil numérique, j’ai tenté de déceler ses limites et ses territoires de progression, afin de déterminer s’il offre réellement les possibilités de concrétiser cette architecture, et comment réorienter le processus de conception. Cette recherche m’a amené à parcourir des champs et des domaines trés variés : du prototypage aéronautique et de l’ingéniérie de pointe, jusqu’aux champs de la biologie et des mathématiques appliquées, tout en traversant les courants de pensées naturalistes et déterministes. Je me suis aventuré dans un ensemble de connaissances passionnantes, qui me semble maintenant primordiales à acquérir et disposer pour les architectes. Les recherches se sont progressivement affinées à l’étude des morphologies organiques en me focalisant sur les possibilités d’une intelligence structurelle, fonctionnelle et symbolique de

ces formes, ainsi que sur leur procédé génératif par l’outil numérique. Les différentes parties du mémoire répondront à chacune de ces deux questions de manière simultanée. Ce travail est composé de trois parties qui proposent l’analyse de méthodes de conception digitale très prometteuses, croisant les sciences naturelles et l’ingénierie, ainsi que dévoiler des prolongements possibles de l’outil numérique avec des théories architecturales oubliées. La première partie introduira l’impact du monde numérique numérique dans l’architecture. Nous nous intéresserons aux points de vue des principaux théoriciens, ainsi qu’aux premiers essais mener d’une architecture numérique. La seconde partie abordera le processus de conception computationnel par l’utilisation d’algorithmes. Nous traverserons cette logique mathématique en découvrant une série d’algorithmes apparue dans des domaines voisins, leur applications architecturales et leur potentiel génératif. La troisème partie développera le sujet de la recherche de formes structurelles et fonctionnelles, induitent par les méthodes de form finding numérique. Nous découvrirons l’étendu de ce procédé prenant ses sources dans le champ de la morphogénèse, et dont les recherches nous invitent à s’intéresser aux savoirs scientifiques possibles des architectes. La quatrième partie rappelera les théories pourtant fondamentales de certains architectes qui ont dédié leur vie à la compréhension des systèmes naturels, dans le but de produire une architecture dont le fondement est au plus proche de celle-ci. Nous découvrirons l’approche visant l’optimisation structurelle et constructive portée par A. Gaudi, R.B. Minsterfuller et F. Otto, ainsi que le prologement et la progression actuelle de leurs théories par l’outil numérique. Le travail proposé n’a pas la prétention d’énoncer que l’outil numérique représente la seule porte d’accés vers une architecture organique, et que celle-ci ne se résume pas à la simple recherche morphologique. Il vise à apporter des éléments de réponses à ce que je pense être les principaux axes pour le développement de cette architecture.

1. Le monde numérique Résumé Dans cette première partie nous découvrirons les possibilités de l’outil numérique, ainsi que les points de vues des principaux théoriciens et architectectes du mouvement numérique dans l’architecture. Nous tenterons d’y déceler les changements apportés dans la discipline aussi bien dans la conception que dans la fabrication et vers quoi ils nous orientent. Au travers de l’analyse des deux mouvements architecturaux majeurs impliquant l’outil numérique, nous déterminerons quels en sont les axes de dévéloppement et selon quelles justifications ils revendiquent utilisation des formes non standard.

Table des matières 1.1 Impact du monde numérique 1.1.1 L’outil numérique 1.1.2 Les visions des théoriciens de l’architecture 1.2 Evolution de l’architecture non standard 1.2.1 Le mouvement Blob 1.2.2 L’architecture paramétrique

1. Partie I : Le monde numérique

1.1 Impact du monde numérique : l’outil numérique En quelques décennies le numérique a bouleversé à la fois les modes de pensées ainsi que les processus de conception, de fabrication et même de prototypage. Bien que cela n’était pas le cas il y a encore quelques années, les outils et savoirs issus du numérique se sont répandus dans l’ensemble des agences d’architecture, de design et d’ingénierie à travers le monde, et dont l’utilité n’est plus à démontrer. La seconde moitié du XX° siècle a été marquée par l’introduction de l’outil numérique, qui fût l’objet d’attention des industries automobiles et aéronautiques pour la conception des formes souples et fluides spécifiques. Les architectes ont tenté de saisir cet outil pour sortir de l’orthogonalité traditionnelle et expérimenter de nouvelles formes, qui sont pour la plupart restées au stade du virtuel. En effet, lors de la conception de ces formes, l’aspect contructif a été le plus souvent négligé, au profit de la recherche esthétique. Ils ne forment pas nécessairement un échec, car cette première vague expérimentative a permis de dévoiler les enjeux de ces formes. Selon quels principes fonctionnels ou symboliques peut-on les justifier et les rendre constructible pour des ouvriers ?

“L’introduction de l’outil numérique et sa logique de traitement de l’information, a profondément marqué une discipline qui tentait de renouveler ses codes et son language.” 1 (Frac Orléans)

Cf. Frac Orléans: http://www.frac-centre.fr/

1. Partie I : Le monde numérique

1.1.2 Les théoriciens du numérique : Antoine PICON, la culture du numérique Antoine PICON est un architecte, ingénieur et historien Francais, s’intéressant aussi bien aux théories urbaines liées aux innovations technologiques, qu’aux relations entre l’architecture et l’ingénierie. Il voit dans le monde numérique une véritable culture et non un système ou un ensemble de paradigmes. Antoine PICON

Ouvrage “Culture numérique et architecture

Dans son ouvrage “Culture numérique et architecture”, il souligne que le point de vue techno-optimiste et le point de vue techno-pessimiste sont tous deux excessifs : “Il n’est plus question aujourd’hui de savoir si le numérique est une bonne chose ou une mauvaise chose pour l’architecture, mais qu’il s’agit plutôt de comprendre vers quoi celle-ci s’oriente sous cette influence.” 2 Les architectes se sont intéressés aux questions formelles et de leur proportions à tous les âges et au travers de multiples méthodes : les tracés régulateurs, les trames, certaines géométries sacrées comme le nombre d’or, ou en utilisant la phénoménologie. L’architecture s’engage aujourd’hui dans un nouveau tournant par l’outil numérique, qui permet de décupler le potentiel des premiers éléments de proportions par l’utilisation des algorithmes, des codes et des scripts.

“Les innovations technologiques actuelles suivent une courbe exponentielle qu’il est impossible de freiner. Elles sont si nombreuses et rapides que nous pouvons affirmer avec certitude que les transformations apportées seront profondes.” 3 (Antoine Picon)

PICON, Antoine. (2010) Culture numérique et architecture. Birkhäuser

Ibidem

1.1.2 Les théoriciens du numérique : Mario CARPO, la fin de la standardisation Mario CARPO est un historien de l’architecture d’origine italienne, reconnu pour ses recherches sur le champs des théories et techniques de représentations architecturales. Il met en relation l’histoire des technologies, de l’architecture, et de la culture, pour déterminer les tournants possibles de l’architecture contemporaine. Il explique notamment dans son livre “L’architecture à l’âge de l’imprimerie” ainsi qu’à travers de nombreuses analyses, que le développement des savoirs et des technologies numériques ouvrent la voie à des variations infinies de production industrielle non standard. Il y voit les conditions possibles pour remettre en cause une tradition peu contredite de la reproduction en série, initiée à la renaissance. 4

“Les mécanismes de la standardisation et de la production d’éléments identiques issus de la révolution industrielle sont aujourd’hui révolus. En effet, il est tout aussi couteux de produire des éléments tous différents par des machines à commandes numériques et des imprimantes 3D.” 5 6 (Mario Carpo)

Marion CARPO

Ouvrage “Architecture à l’âge de l’imprimerie

“L’enjeu n’est pas de dessiner un bâtiment en utilisant les technologies numériques, mais de dessiner un bâtiment qui ne pourrait ni être conçu, ni être fabriqué sans eux.” 7 (Mario Carpo)

CARPO, Mario. (2001) L’architecture à l’âge de l’imprimerie. Villette

CARPO, Mario. (2013) Le tournant numérique en architecture .1992- 2012. John Wiley & Sons

Annexe 1

Ibidem

1. Partie I : Le monde numérique

1.2.1 Le mouvement Blob Introduit en 1995 par Greg Lynn, le terme “Blob Architecture” (Binary Large Object) désigne une architecture à la forme molle et bombée, faisant analogie avec des morphologies naturelles comme les gouttes d’eau, ou des organes.

Greg Lynn

Anish Kapoor Cloud Gate

Principe de Metaball

Ce mouvement architectural novateur fut porté par de nombreux architectes, notamment le groupe Archigram dans les années 1960 dont faisait partie Peter Cook, mais aussi Norman Foster, Herzog &de Meuron, Franck Gehry et Massimiliano Fuksas. Cette architecture a pris forme à partir d’un outil de conception sur ordinateur appelé “metaball”, qui utilise des nuages de points pour générer des sphères reliées entre elles. Le logiciel effectuant les calculs nécessaires à la réprésentation, cela permet à l’architecte de travailler les formes de manière intuitive. Le principal intérêt de cette technique réside dans une similitude avec le principe cellulaire : division, union, séparation, etc. Cette nouvelle catégorie de formes se différencie de l’architecture organique, car sa référence à la nature n’est pas récurrente, notamment chez Greg Lynn, même s’il y a une ressemblance biomorphique évidente.8 Ces formes utilisent les avancées mathématiques pour être générées. Ce mouvement ne revendique pas des recherches biomimétiques ou bioniques.

Seagate Head Building

Zlote Tarasy Center

STALS, Adeline. Nature et architecture: de la morphogénèse du vivant à la création numérique.(2014), Mémoire de master, Faculté d’Architecture de Liège.

Il se réalisera de nombreux travaux sur la notion de “pli”, qui est une déformation d’une surface afin de garder une continuité formelle des éléments, et la notion de “membrane” pour définir cette surface qui regroupe l’ensemble des différentes formes géométriques sous un même élément. Ces blobs sont des formes virtuelles composées à partir de logiciels informatiques et dont le dessinateur perd une partie du contrôle de la forme. Greg Lynn affirme à ce sujet : “Le logiciel prend le dessus, le language formel relève de l’ordinateur, vous faites ce que le logiciel fait.” 9

LandMark Building Zaha Hadid

House of Art, Peter Cook

Il ne qualifie pas cet objet comme divin, mais d’avantage comme un outil permettant de représenter des formes qui ne le sont pas autrement. Les mathématiques ont une très forte influence sur le discours architectural dans son ensemble, comme le défend souvent Greg Lynn, qui précise : “Avec le pouvoir de la computation, nous avançons pas à pas vers la définition plus précise de formes et systèmes naturels.” 10

Music Experience Project

Selfridges Building

Aqua Tower, Chicago

Music Experience Project

LYNN, Greg. The shape of things to come.(2015), con- férence réalisée par Piaggio Grou, Milan.

Ibidem

1. Partie I : Le monde numérique

1.2.2 L’architecture paramétrique Le terme d’architecture “paramétrique” a été créé par Patrik Schumacher en 2008, bras droit et collaborateur de Zaha Hadid, pour désigner une architecture qui utilise des données pour contraindre et générer des géométries complexes. Tout ce qui est quantifiable ou mesurable peut être théoriquement transformé en données de type : environnementales, structurelles, urbaines, sociales, humaines, acoustiques,... “La conception paramétrique implique que tous les éléments du dessin deviennent paramétriquement variable et mutuellement adaptatif.” 11 (Patrik Schumaker)

Zaha Hadid

La forme émerge d’un processus génératif. L’outil numérique effectue les calculs pour tracer la forme, tandis que le concepteur influent sur les paramètres de génération. Cela transforme l’approche du projet par l’architecte, qui n’est plus un simple créateur de formes, mais plutôt le coordinateur d’un processus.

Pavillon Chanel, Zaha Hadid

Les mathématiques sont une part très prennante du procédé qui est utilisée pour faire correspondre et coïncider des formes géométriques complexes avec certitude, ainsi que de les générer avec une écriture mathématique (une fonction, un algorithme,..) permettant de les expliquer. L’architecture paramétrique permet de générer et contrôler des formes et de les rendre évolutives. Il n’est plus vraiment question de l’utilisation de trame, mais d’avantage de structurer la forme selon des déformations, des torsions, des dilatations, des hybridations ou des réductions, pour la faire répondre aux objectifs voulus par les paramètres fixés. Pour décrire ses formes on parle d’avantage de reliefs, de vagues, de formes radiantes de coque (shell en anglais), notion utilisés pour décrire la nature.

Opéra de Guangzhou, Zaha Hadid

JODIDIO, Philip. Zaha Hadid. (2010),Taschen.

Ce mouvement se décrit comme successeur de l’architecture moderne et postmoderne par ses recherches théoriques, bien que leurs langages formels soient en opposition totale. Une analogie est souvent faite avec le mouvement déconstructiviste, par les similitudes formelles et une volonté commune de rompre avec les morphologies conventionelles. Les projets paramétriques sont souvent vus comme organiques par leur formes fluides, complexes et régulières, aux ressemblences biomorphiques bien que le processus de génération est d’avantage mathématique, plutôt qu’une imitation volontaire de la nature. L’architecture paramétrique est moteur d’amélioration constante du développement de l’outil numérique et des logiciels de form finding, en permettant d’intégrer avec exactitude des données nouvelles dans la conception du projet. Principalement d’ordre environnemental, elles peuvent transformer profondément l’évolution de ce courant et l’approche actuelle du métier. Ses practiciens comptent des architectes celèbres comme Santiago Calatrava, Jurgen Mayer, Zaha Hadid, Rem Koolhass, Peter Eiseinman, MAD, SANAA et Frei Otto.

Fondation Louis Vuitton , Franck Gerhy

Heydar Aliyev Center, Zaha Hadid

Opéra à Dubaï , Zaha Hadid (projet)

Opéra de Valence, Santiago Calatrava

Opéra de Harbin, MAD

2. Partie II : La conception algorithmique Résumé : Dans cette seconde partie nous regarderons l’étendue de l’architecture computationnelle en s’immergeant dans la conception algorithmique. Nous découvrirons différents types d’algorithmes permettant de structurer l’agencement d’une forme selon des critères spécifiques comme le transfert de forces, le fractionnement ou l’optimisation. Nous commencerons par une introduction au concept de la pensée algorithmique, et son language informatique menant au script, pour comprendre son influence dans la conception. Nous poursuivrons par l’introduction graduelle d’algorithmes de plus en plus complexes, selectionnés pour leurs prouesses génératives, qui permettent des créer une multitude de formes à partir d’objectifs contructifs, structurels ou symboliques. Nous découvrirons notamment la proximité du champs de la conception algorithmique avec celui de la génétique ou de l’évolutionnisme aboutissant au concept la de morphogénèse numérique.

Table des matières : 2.1 Introduction à la computation 2.1.1 Les algorithmes 2.1.2 La programmation générative 2.2 Les systèmes de division complexe fractales et L-système 2.2.1 Les algorithmes fractales 2.2.2 Le système de Lindenmayer 2.3 Les algorithmes génétiques et évolutionnaires 2.3.1 Introduction 2.3.2 Cas d’étude d’un algorithme génétique 2.4 Les algorithmes d’optimisation topologique 2.4.1 Introduction 2.4.2 Cas d’étude d’un algorithme BESO 2.4.3 L’optimisation pour la fabrication additive

2. Partie II : La conception algorithmique 2.1 Introduction à la computation : les algorithmes Le terme “algorithme” est une adaptation latine du mot Al-khawrizm, provenant du nom d’un mathématicien perse du IX° siècle qui théorisait les calculs mathématiques. Il définit un algorithme comme un ensemble spécifique d’instructions, formalisant une suite logique et non finie d’opérations, dans le but de résoudre un problème ou d’obtenir un résultat. 12 Algorithme Voronoie

L’algorithme, et son domaine de recherche appelé l’algorithmie, a existé avant l’apparition des outils numériques, et se retrouve maintenant au centre de celui-ci. En effet l’ordinateur a permis la naissance d’un grand nombre de programmes à partir avec la procédure algorithmique. La conception algorithmique fonctionne sur la transformation de données depuis l’entrée vers la sortie, formalisant le système qui se trouve au coeur des logiciels de conception architecturale.

Pattern algorithmique

Les calculs algorithmiques ont longtemps été effectués de manière invisible sur l’interface des logiciels de conception, ce qui limitait bien souvent leurs possibilités d’utilisation. En effet, ils étaient programmés à faire des calculs standardisés par les éditeurs de logiciels. On appel un “Pattern” un modèle représentant un motif généré par un algorithme. Il structure la composition par un ensemble de lois contrôlant les formes, leurs proportions, et leurs proliférations.

Pattern algorithmique

KHABAZI, Mohamad. Algorithmic modeling with Grasshopper (2010), Recherches, AA School of Architecture, London.

La programmation générative La visibilité de cette interface, rendue possible dans les logiciels, a permis l’éclosion d’un nouveau procédé appellé la programmation. La programmation architecturale s’appuie sur les modeleurs de conception comme Rhinocéros ou Revit, qui utilisent des plug-in nommés Grasshopper ou Dynamo, pour visualiser cette interface. C’est au travers de ces interfaces que la conception devient générative. Par rapport aux logiciels de conception standard, ses nouveaux modeleurs permettent la recherche des solutions optimales et transforment l’outil de conception en moteur de proposition. Le logiciel n’est plus utilisé pour son unique capacité de représentation mais de simulation, ce qui permet au dessin de devenir génératif et dynamique, et de pouvoir étudier des stratégies encore incertaines au moment de la conception.

Interface Rhinocéros (haut) permettant la simulation et Grasshopper (bas) avec les boîtes de programmation algorithmique

Grace au scripting, l’architecte peut maintenant aller jusqu’à la modification des paramètres de base afin de pouvoir coder manuellement le logiciel et avoir le contrôle total de son outil. Il peut notamment transformer l’interface et le fonctionnement du logiciel, pour le “re-modeler” et en depasser les possibilités. Boîte de script Python sur l’interface Grasshopper.

2. Partie II : La conception algorithmique 2.2 Système division complexe : les algorithmes fractales Le terme ”fractale” est un néologisme crée par Benoît Mandelbrot en 1974, à partir de la racine latine fractus, qui signifie brisé, irrégulier. Cette typologie formelle est facilement observable dans la nature : les vaisseaux sanguins des être vivants, le réseau des rivières, les flocons de neige, certaines formes végetales, ou motifs animals. Formes fractales végétales

La géométrie fractale peut être définie comme un objet mathématique de structure complexe, dont la création ou la forme est déterminée par des règles de fractionnement infini, produisant une réplique auto-similaire à chaque échelle.13 Les fractales peuvent générer leurs structures de deux manières : en les faisant grandir par répétition de structures (modèle arborescent, courbe de Von Koch), ou en les divisant en unité de plus en plus petite, de manière infinie (modèle du Triangle de Sierpinski).

Formes fractales minérales

Triangle de Sierpinski

Les formes fractales sont peu utilisées en architecture, bien qu’elles possèdent des particularités fondamentalements intéressantes, surtout pour les systèmes arborescents. Elles permettent d’offrir à chaque surface un grand nombre de soutiens, répartis de manière régulière, triangulés, et dont la descente des efforts respectent un schémas continu. Chaque noeud et ses branches forment un module identique au suivant. Le calcul d’un seul module, puis l’appliquation des règles de proportions, permettent d’analyser l’ensemble de la structure à toutes les échelles. Les qualités esthétiques de ces structures, notamment par le volume de lumière qu’elle laisse traverser ainsi que pour leur morphologie biomimétique, en font des structures privilégiées pour les projets innovants.

Courbes de Von Koch

Villemin.gerard.free.fr/Wwwgvmm/SuiteFractal

Aéroport de Stuttgart

Mumbai Hall, Shigeru Ban

Structure fractale arborescente, Université de Tokyo

Umbracle, Santiago Calatrava

Pont imprimé en 3D à Amsterdam (projet)

2. Partie II : La conception algorithmique 2.2 Système de division complexe : le système de Lindenmayer Les L-systèmes ou de Lindenmayer, ont été introduit par le biologiste et botaniste Aristide Lindenmayer, qui étudiait le schéma de croissance des organismes pluricellulaires, notammment les algues et les bactéries. Il tente de donner une description formelle de ces organismes, en reproduisant un système génératif.14

Algue de Lindenmayer Arbre de Lindenmayer

Les L-systèmes sont composés d’un ensemble de règles et de symboles qui modélisent un processus de croissance par itération, en engageant un procédé de réécriture. Chaque itération produit une ligne d’écriture différente de celle de départ, en engageant un processus d’alignement successif de chaque nouvelle ligne à la suite de la précédente. Diagramme d’un L-système

Ligne de départ : AB Rêgle de réécriture : A -> AB , B ->A n=1, AB n=2, AB A n=3, AB A AB n=4, AB A AB AB A n=5, AB A AB AB A AB A AB La suite de Fibonacci figure comme l’un des exemples le plus connu utilisant le L-système : Ligne de départ : AB Règle de variable pour la réécriture : A -> B , B ->AB

Suite de Fibonacci dans coquille de Nautilus 14

https://www.mathcurve.com/fractals/lsysteme

Les L-systèmes, par leurs divisions répétitives et de même proportions, permettent de la même manière que les figures fractales, la simplification du calcul structurel, tout en permettant de générer des motifs complexes aux allures biomorphiques. Les L-systèmes se retrouvent comme motif structurel de certaines façades résillées et de façades auto-portantes. Luc Schuiten, architecte belge, utilise entre autres ce procédé pour générer des bâtiments organiques au façades arborescentes. (Annexe 2)

Façades arborescentes, Luc Schuiten

Toiture d’un stade, D. Serero

Tours végétales dans le jardin de la Serre de Singapour

2. Partie II : La conception algorithmique 2.3 Les algorithmes génétiques et évolutionnaires : Introduction

Algorithme du “jeu de la vie”

Le terme algorithme “génétique” est introduit en 1973 par John H. Hollande, qui étudie des formules mathématiques pouvant reproduire les systèmes d’évolution présents dans la nature. Ses recherches mèneront entre autres à donner les bases de l’intelligence artificielle et mettre au point une nouvelle procédure d’optimisation. Cette classe d’algorithme s’inspire en grande partie de la théorie de l’évolution Darwiennen, en utilisant des opérations telles que la sélection, l’hérédité, la mutation ou l’hybridation. 15 Les algorithmes génétiques appartiennent à la famille des algorithmes évolutionnaires, qui consistent à faire évoluer une solution ou un ensemble de solutions, pour trouver la plus adaptée. Ils se différencient des algorithmes fractionnaires (fractale et L-système) qui font progresser un modèle à partir des lois dans un milieu neutre, en disposant cette fois-ci d’un modèle qui doit progresser dans un milieu avec des spécifications.

Patterns utilisant la structure de Turing

Les automates cellulaires utilisent ce système algorithmique et forment les exemples les plus connus, en particulier avec l’algorithme du jeu de la vie, qui simule le déplacement d’un ou plusieurs cubes par la multiplication, la sauvegarde ou la suppression des cubes. Ce système est avancé par Alan Turing, dans ses théories de la morphogénèse, comme le procédé utilisé par la nature pour délimiter les bordures des motifs animaliers, s’appelant aujourd’hui Structure de Turing. 16

Motifs animaliers décrits par la structure de Turing

http://dnarchi.fr/culture/larchitecture-evolutionnaire-de-la-geneti que-en-architecture/

http://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/physique-mor phogenese-structures-turing/

Les algorithmes génétiques complexifient encore d’avantage ce procédé en attribuant au modèle des spécificités. Ces spécificités sont appelées des “génotypes”, pour faire une analogie aux chromosomes qui composent une cellule. Pour obtenir un modèle architectural evolutionnaire utilisant un algorithme génétique, il est nécessaire de définir un code génétique, des règles de développement, la nature de son environnement, ainsi que des critères de sélection qui détermineront si le résultat est le plus adapté, ou si le calcul doit être relancé. Les intentions architecturales sont donc décritent sous la forme d’un code génétique soumise à une évolution, qui fera varier le modèle par la mutation, la suppression ou la sélection de ses composants. Cette évolution peut se traduire par la production d’une série de modèles ou par la production d’un modèle unique, répondant au mieux à son environnement, seront soumis à nouveau aux calculs par principe itératif jusqu’à atteindre les critères fixés ou bien leurs approximations les plus proches.

“L’architecture est considérée comme une forme de vie artificielle, sujette comme le monde naturel aux principes de morphogénèse, des codes génétiques, de réplication et de sélection. L’objectif de l’architecture évolutionnaire est de parvenir, dans l’environnement construit, aux comportements symbiotiques et à l’équilibre métabolique qui sont caractéristiques de l’environnement naturel.” (John Frazer) 17

http://dnarchi.fr/culture/larchitecture-evolutionnaire-de-la-geneti- que-en-architecture/

2. Partie II : La conception algorithmique

2.3 Les algorithmes génétiques : Cas d’étude d’un algorithme génétique Le département d’architecture de l’Université de Stuttgart à notamment utilisé un algorithme génétique pour calculer la répartition d’une structure métallique sur une surface complexe, non calculable manuellement. 18 Les paramètres de l’algorithme étaient les suivants :

1) Un motif, représentant la structure métallique, a été utilisé comme modèle initial, possédant comme code génétique, la capacité de résistance du matériaux et son élasticité. 2) Son environnement d’évolution était la surface, auquel était appliqué des charges représentant la gravité et la pression du vent. 3) La structure devait progresser en utilisant les sections les plus courtes possibles, et dont les cellules du maillage ne pouvaient excéder 1m2.

4) Le critère de sélection choisi était la production d’une structure avec le moins de stress possible, c’est à dire avec le moin d’efforts parasites à l’intérieur de celle-ci.

Charges appliquées sur la surface

Surface complexe 18

Motif structurel

Programming Architecture. Genetic Algorithms- Structural Optimi sation.(2011), vidéo, Youtube.

Selon l’équipe chargée de l’étude, l’algorithme aurait généré plus de 550 combinaisons différentes durant son évolution :

Le modèle final a permis de réduire le stress de la structure de 70%, permettant une réduction des déformations structurelles de 85%. Sur la figure ci-dessous, le modèle le plus proche du résultat est situé à gauche, en comparaison un modèle maillage régulier est situé au centre et le modèle le plus éloigné du résultat est situé à droite.

2. Partie II : La conception algorithmique

2.4.1 Les algorithmes d’optimisation topologique : Intoduction

Optimisation topologique d’un chassis de moto

Les recherches sur l’optimisation ont été une quête constante de l’industrie aéronavale, qui a permis de faire émerger depuis une vingtaine d’années un nouveau processus d’optimisation computationnelle appellé “optimisation topologique”. Mis au point pour déterminer le meilleur compromis entre le poids et la résistance d’une pièce mécanique, ce procédé connaît actuellement un intérêt croissant dans le monde de la construction et du design. 19 Le processus d’optimisation utilise des algorithmes évolutionnaires, fonctionnant par itération, pour tracer dans un modèle ou un volume la répartition idéale de la matière par rapport à des contraintes données. Ces contraintes prennent l’aspect de forces de déplacements et de déformations, de résistances mécaniques, de températures, etc. Le modèle est ensuite paramétré en fonction de sa densité, sa composition, sa valeur d’élasticité...

Optimisation ESO d’une poutre encrée sur un appui à partir du Add-on Karamba sur Grasshopper

Le calcul d’optimisation s’effectue sur un modèle volumique, dans lequel l’algorithme supprimera successivement de la matière jusqu’à l’obtention d’un équilibre maximal entre la quantité de matière et la reprise des forces. Ce procédé est appelé Optimisation Structurelle Evolutive (ESO) lorsque l’algorithme agit uniquement par suppression de matière, et Optimisation Structurelle Evolutive Bidirectionnelle (BESO) lorsque l’algorithme supprime et ajoute de la matière au cours de l’évolution. Ce dernier est très proche du processus observé dans la nature et notamment dans la croissance des os. 20

Optimisation topologique d’une chaise (ESO) 19 20

http://www.3dnatives.com/optimisation-topologique. ALMARAZ, Aitor. Evolutionary optimisation of parametric structure (2016), Thèse de doctorat, ETSAC, Corogne

2.4.2 Cas d’études des algorithmes BESO Le Palais des Congrès situé à Doha au Qatar, a utilisé le système d’optimisation topologique afin de calculer et concevoir la structure de la toiture. Conçu par l’ingénieur Mutsuro Sasaki, cette toiture longue de 250m, dont 100m de porte-à-faux de chaque côté, est contruite à partir de feuilles d’acier de 6mm d’épaisseur, a permis un gain de matière de 12% par rapport aux franchissements structuels de ce type dans la moyenne des constructions. L’algorithme etait programmé pour fonctionner selon un pattern arborescent, en reprennant la stratégie naturelle des arbres, par profusion de matière redondante et de substances aux endroits nécessaires pour résister aux forces.21

Palais des Congrès, Doha

Schémas d’analyses structurelles de l’arborescence, montrant la division de la forme en sections et la ligne de force.

Ce procédé s’utilise aujourd’hui dans les écoles d’architecture où les étudiants du département d’architecture de l’Université de Stuttgart apprennent à concevoir des infrastructures à partir de cet outil numérique.

Image du projet d’un pont après optimisation topologique. 21

BURRY, Jan and Mark. Mathématique et architecture. (2010) Act Sud.

2. Partie II : La conception algorithmique 2.4. 3 L’optimisation topologique pour la fabrication additive

Optimisation topologique (BESO) d’un dôme à charges réparties

Optimisation topologique (BESO) d’un abri de bus, Université de Stuttgart

Projet réalisé par X-treeE à partir des algoritmes BESO et Fabricable par addition de matières

L’optimisation topologique permet de produire des modèles dont les formes favorisent l’utilisation de la fabrication additive, car elle nécessite une fabrication “sur mesure” moins couteuse que par l’utilisation d’un moule à usage unique. Les nombreuses pièces issues de ce procédé pour l’industrie aéronautique sont essentiellement imprimées en 3 dimensions et forment un levier puissant pour le développement et la démocratisation de ce mode de fabrication. Le développement de cette technique, combiné avec les procédés d’impression de béton tridimensionnelle, permettent la fabrication de formes structurelles nouvelles, à faible coût et de résistance supérieure. Encore au stade d’étude, ces recherches et technologies poussées par le géant Dassault Systèmes, peuvent transformer en profondeur la manière de concevoir un projet et ouvrir un nouveaux langage formel. 22 En basant l’approche de la conception sur les capacités de résistance des matériaux pour générer des formes structurelles, cette technique ouvre la voie au champ du “Material Base Design” (design par la matière) qui repense les systèmes constructifs a partir des potentialités de la matière.23

Section d’un pilier imprimé en Béton Fibré Ultra Performant (BFUP) conçu et fabriqué par la start-up X-treeE 22

http://www.xtreee.eu/

OXMAN, Neri.On designing form.(2010), conférence réalisée par POPTECH, Boston.

3. Partie III : Le form finding Résumé : Le form finding, pouvant être traduit de l’anglais par “recherches formelles”, est un terme utilisé pour désigner des recherches dans le champ de la morphologie au travers d’expérimentation physique ou virtuelle. Le form finding est un milieu mathématique qui s’appuit sur l’application de contraintes sur une figure ou un modèle, pour permettre sa formation ou à l’inverse, sa déformation. Il connaît un essor grandissant avec les avancées des outils numériques par ses capacités à générer des formes complexes et fonctionnelles. Il permet d’apporter une réponse spécifique à un problème physique, et ne peut pas être vu comme un lieu de recherches et de résolutions formelles uniques. Dans cette partie, nous aborderons plusieurs points clefs de ce champs prometteur, en introduisant d’abord la notion de morphogénèse. Nous parcourerons ensuite les différentes interfaces utilisées par les designers, ingénieurs et architectes, afin de comprendre comment cette approche requestionne les interactions possibles avec les champs climatiques, environnementaux et structurels.

Table des matières : 3.1 La morphogénèse 3.1.1 L’origine morphologique 3.1.2 D’Arcy Thompson, la théorie des transformations 3.2 De la maquette physique à la maquette virtuelle 3.3 Le champs climatique et environnemental 3.4 Le champs physique et structurel

3. Partie III : Le form finding

3.1 La morphogénèse : l’origine morphologique La morphogénèse est un champs d’étude scientifique, visant à établir les déterminants morphologiques en regroupant l’ensemble des lois et processus qui structurent et organisent la génération d’une forme ou d’un organisme. Le concept de la morphogénèse implique que la forme est le résultat d’une ou plusieurs actions exercées sur la matière. Cette forme étant le résultat d’un processus spécifique propre au contexte, elle ne peut posséder aucune des formes pré-conçues ou prédéfinies. 24

Schéma expliquant la morphogénèse d’une plume aviaire.

La question de la morphogénèse est centrale pour l’architecture non standard ou organique, car elle explique l’origine morphologique. Elle invite les architectes à réorienter les intentions architecturales sur le processus de génération au lieu d’être focalisées sur la forme. Ce concept de morphologie explore la génèse d’une forme par une approche continue et fluide de la conception s’apparantant d’avantage à un processus fonctionnant par déduction qu’à un processus fonctionnant par induction. Bien que cela soit difficile à appliquer dans les faits, c’est au travers de ce type d’approche que l’architecture arrivera être encrée de manière plus innovante dans son site. 25 Le champs de la morphogénèse englobe une science spécifique aux déformations environnementales induites par les forces climatiques, appelée morphologie climatique. Cela décrit l’érosion des roches pour expliquer la forme donnée aux littorales ou aux reliefs, mais aussi sur la formes et l’orientation données aux arbres sous l’action du vent et de l’ensoleillement. Elle semble plus analogue avec le domaine architectural, car elle étudie le profilage naturel des formes dans son environnement.

Forme géologique, Paria Canyon, Arizona

Cf. http://math.cnrs.fr/Les-mathematiques-de-la-morphogénèse

SILVESTRI, Chiara. Perception et conception non standard. (2009), Thèse de doctorat, Université de Montpellier.

3.1 La morphogénèse : D’Arcy Thompson, la théorie des transformations Le champs de la morphogénèse fut particulièrement enrichi par la théorie de D’Arcy Thompson, intellectuel, biologiste, mathématicien, et physicien écossais. Dans son livre “Formes et croissances”26 il énonca que les formes sont dues à des déformations purement physiques. D’après lui, ces déformations sont les conséquences de contraintes sur un modèle agissant dans un rapport force-formes : étirements, contractions, réductions, force de tensions superficielles ou forces de gravités, etc. Il expose le principe que les éléments naturels se déforment selon la base d’un modèle précis, et qu’il devient possible de les calculer et de les analyser par les mathématiques ou par des outils géométriques.

Lien entre le crâne d’un chimpanzé et d’un babouin.

On retrouve dans son livre des applications à l’ingénierie, en étudiant l’efficacité de certaines morphologies animales. Il démontrera notamment les similitudes entre la tête d’un fémur et celle d’une grue, dont les lignes de tensions (force) respectent le même schéma. D’Arcy Thompson décrira qu’une profonde compréhension des formes exige la compréhension totale des processus de génération qui la compose. En interrogeant les principes de la morphogénèse, les architectes transcendent la discipline pour accéder à une nouvelle approche qui mélange architecture et science naturelle. Pour ceux qui cherchent à innover en utilisant ces sciences, il nécessite des connaissances solides tant du monde biologique que du monde de la construction, pour transposer les théories de la morphogénèse en processus architecturals.

Coupe dans une tête d’un fémur et d’une tête de grue.

Le pont avec l’architecture est certain, même si ces théories s’appliquent sur des éléments biologiques et vivants, alors qu’un bâtiment est inerte, au sens non biologique. Forme géologique, Kakadu Park, Australie 26

THOMSON, D’Arcy. Forme et croissance.(1917), CNRS.

3. Partie III : Le form finding

3.2 De la maquette physique à la maquette virtuelle “L’espace de conception doit être imaginé comme un environnement de forces et mouvements et non pas comme un vide neutre.” 27 (Greg Lynn) Le modèle tridimensionnel est le principal outil d’expérimentation utilisé dans les procédés de form finding, qui n’est plus seulement représentatif, mais qui devient génératif. Maquette d’une structure tendue, pour la gare centrale de Stuttgart

Maquette suspendue d’un grid shell pour le Multihall de Manheim

Ces modèles sont appelés “mécaniques” quand leurs formes sont générées et influencées par un ou plusieurs éléments physiques. Ces maquettes mécaniques furent la base de travail de nombreux architectes comme A. Gaudi, ou bien F. Otto. Ces maquettes permettent de donner à l’architecte des informations qu’il peut avoir par le calcul et notamment la configuration spatiale optimale du point de vue mécanique, d’une forme structurelle par rapport à certaines conditions de limites données. Ces maquettes sont une part indispensable du processus de recherche des formes structurelles pour les ouvrages à coques minces, les structures tendues, ou les grid-shells, dont la maquette est la seule manière de les représenter et de calculer leurs valeurs réelles.28 Ces maquettes mécaniques représentent le résultat d’une seule opération, souvent imprévisible, ce qui nécéssitait que l’architecte en produisent un grand nombre avant de pouvoir trouver le modèle qui lui convient. Cela rendait le procédé long et souvent complexe.

Système d’analyse solaire appelé Héliodon

Les formes étant générées par processus physique et non par des assemblages géométriques, la retranscription en plan était souvent difficile. A titre d’exemple, la maquette du Musée de Guggenheim a nécessité l’utilisation d’un bras robot palpant ses surfaces afin de pou-

LYNN, Greg. The shape of things to come.(2015), Conférence réalisée par Piaggio Grou,Milan.

SILVESTRI, Chiara. Perception et conception non standard.(2009), Thèse de doctorat, Université de Montpellier.

voir donner des coordonnées en 3 dimensions et reproduire un modèle virtuel. Ce modèle a d’ailleurs été conçu sur un logiciel produit spécialement pour ce projet, appelé Catia, car les logiciels de cette époque ne pouvaient pas représenter correctement ses courbes complexes. Les maquettes physiques sont aujourd’hui remplacées par des modèles numériques plus efficaces, plus polyvalents et plus pratiques. Elles permettent de combiner des informations influant sur la conception du modèle, d’effectuer des variations de manière instantanée, et de supprimer le problème de retranscription géométrique.

Analyse de radiance solaire d’un modèle virtuel (form finding)

La progression des logiciels de simulation permettent de pouvoir appliquer à un modèle un grand nombre de données ou contraintes. Elles peuvent être environnementales, structurelles ou bien humaines. Ces données deviennent le coeur du projet, et sont utilisées comme supports morphologiques de l’édifice. Aujourd’hui une différence existe entres les maquettes virtuelles BIM (Building Information Modeling) et les maquettes virtuelles utilisées pour le form finding, qui tente d’être effacé progressivement. En effet leur utilisation actuelle les rends fondamentalement opposée. Les maquettes BIM s’efforcent de tracer un modèle avec le plus d’informations techniques possibles, amenant parfois à une complexification non nécessaire empêchant toute variation, alors que les maquettes de form finding fonctionnent essentiellement sur ce principe de variations. Cela nous amène à nous interroger sur la bonne utilisation des maquettes BIM, et sur le type “des informations” 29. 29

Analyse de l’aérodynamisme d’un modèle virtuel (form finding)

Maquette virtuelle d’un projet architectural (maquette BIM actuelle)

Programming Architecture. Is BIM killing creativity. (2016), Vidéo, Youtube.

3. Partie III : Le form finding 3.3 Le champs climatique et environnementale “Le form finding est un paramétrage physique créant une auto organisation de la forme, non dessinée ou pré-conçue par le concepteur, qui apporte un changement dans la manière pensée. La forme dépasse les besoins structurels pour intégrer des critères environnementaux comme l’énergie, le soleil, le vent et l’eau. Grâce à la computation, toutes ses expérimentations réapparaissent et se retrouvent de nouveau au coeur de la conception.” 30 (Patrick Schumacher and Zaha Hadid) Le form finding invite à penser les formes avec une contrainte fonctionnelle. Ces contraintes, liées aux enjeux environnementaux, poussent les architectes à génerer des morphologies par l’action des forces naturelles du site. De nombreux plug-ins (des extensions de logiciel) sur le logiciel Grasshopper, permettent de pouvoir prendre en compte un ensemble de paramètres physiques et environnementaux pour les intégrer dans la conception du bâtiment : l’ensoleillement, l’hydrologie, l’aérodynamisme, la topologie, les flux etc. Héliodon virtuel, permettant une analyse présice de l’ensoleillemment. (Plug-in Heliotrope sur Grasshopper)

Ces nouveaux outils d’analyse apportent une transformation de l’approche conceptuelle, car elle introduit les architectes aux notions de profilages et d’affordances climatiques. Selon Milos Dimcic, docteur en architecture et professeur à l’Université de Stuttgart, l’industrie à cent ans d’avance sur l’architecture, car elle intégre ses notions fondamentales dans la conception de leur modèles.31 Ces notions influencent la morphologie architecturale, en exigeant que la forme d’un édifice corresponde avec son environnement afin d’en tirer le plus d’avantages possible. Cela peut mener à un fonctionnement symbiotique de l’objet avec son contexte, le prémice d’une intrication. Pour manier ce procédé de form finding, les architectes doivent retrouver des savoirs initiaux sur les champs des sciences naturelles et d’observation de l’environnement.

https://www.youtube.com/ FORM FINDING – Frei Otto: Spanning the Future

Programming Architecture. Where is the challenge. (2015), Vidéo, Youtube.

Le complexe d’Al Raha, à Abou Dhabi, par l’agence Foster & Partners, est un projet conçu à partir des outils d’analyse environnementaux. Les formes courbes du bâtiment tentent d’apporter une première réponse entre les proportions de l’ouvrage avec la pression du vent et la radiance solaire. 32

Diagramme d’analyse du complexe 32

BURRY, Jan and Mark. Mathématique et architecture. (2010) Act Sud.

3. Partie III : Le form finding 3.4 Le champs physique et structurel L’étude du comportement des structures dans le but de trouver des formes optimales est devenue l’un des principaux territoires d’exploration du form finding. Le progrès des logiciels et plug-ins, notamment des addons Karamba et Kangarou sur le plug-in Grasshopper, permettent de recréer un des milieux physiques naturels virtuellement. Ils offrent la possibilité de simuler, contrôller et analyser avec précision des forces de gravités, de pressions, de tensions ou l’action et le déplacement de fluides sur un modèle. Toute force pouvant être représentée par un vecteur, cela confère un champ de possibilités très vaste, permettant d’englober tous les phénomènes terrestres connus à ce jour, pour la conception d’un édifice ou d’un objet.

Transformation de la morphologie d’une surface par la Relaxation Dynamique.

La génération de surface tendue à simple ou à double courbures inversées, qui sont des surfaces mécaniques qui utilisant les forces de tension de surface, a été rendu possible par la méthode de relaxation dynamique. Cette méthode subdivise une surface en facettes, qui sont réduites et déformées, jusqu’à l’obtention d’un équilibre des forces soyant proche de zéro et uniformément réparties. Cette méthode permet de pouvoir représenter le procédé utilisé par F. Otto sur ses essais de la surface minimale grâce aux bulles de savon, qui en ré-introduit le concept. 33 Ces recherches structurelles orientent les intentions architecturales sur le sens porté aux structures et aux surfaces portantes, et invitent les architectes à comprendre les phénomènes agissant dans une structure. Un savoir qui s’avère être trop souvent laissé aux ingénieurs. Il offre une piste de reflexion très profonde autour de l’optimisation structurelle, et du potentiel des influences physiques sur la génèse de morphologies organiques et non standards.

Surface minimale, obtenue par la Relaxation Dynamique 33

STALS, Adeline. Nature et architecture: de la morphogénèse du vivant à la création numérique.(2014), Mémoire de master, Faculté d’Architecture de Liège.

Surfaces tendues à partir de la Relaxation Dynamique

Mastys Pavillon, Mexico

Surface subissant des déformations par la gravité, permattant la formation d’arcs caténaires

4. Parti IV : Cas d’études : Les architectes de l’optimisation Résumé : Nous trouverons ici plusieurs cas d’études d’architectes qui ont marqué l’histoire par une approche innovante du processus de conception pour leur époque, en particulier pour l’aspect organique basé sur l’optimisation da matière. Cette partie demontrera principalement comment certains architectes se sont servis des éléments physiques naturels pour genérer et structurer le langage formel représentatif de leur architecture. Dans ces analyses d’oeuvres il est principalement question de traiter l’identité structurelle ou constructive et non l’aspect historique, symbolique ou expressif des oeuvres. Nous aborderons les fondements de la pensée architecturale et les processus utilisés, qu’ils soient mathématique ou par expérimentation physique. Ensuite, nous verront au travers de ces exemples comment les outils numériques permettent aujourd’hui de pouvoir poursuivre et prolonger leurs théories ou ambitions architecturales, qui ont bien souvent été mises de coté à cause de leur complexité.

Table des matières :

4.1 Antonio GAUDI 4.1.1 Introduction 4.1.2 Une tendance pour les surfaces réglées 4.1.3 Cas d’étude de la facade de la Passion 4.1.4 L’arc optimal 4.2 Frei OTTO 4.2.1 Introduction 4.2.2 L’optimisation structurelle : les forces de tension 4.2.3 Les surfaces minimales : tension des bulles de savon 4.2.4 Les surfaces tendues pour l’architecture 4.3 Richard BUCKMINSTER FULLER 4.3.1 Introduction 4.3.2 Le dôme géodésique 4.3.3 La tenségrité

4. Partie IV : Les architectes de l’optimisation, Antoni Gaudi 4.1.1 Introduction Antoni Gaudi, est un architecte espagnol faisant partie des plus grandes figures de l’architecture de son époque. Il exerça durant le XIX° siècle et contribua de manière significative au développement de techniques de construction avec une créativité exceptionnelle.

Antoni Gaudi

Casa Battlo

Tres attaché aux questions liées à la structure, une grande partie de son travail se base sur une recherche de son optimisation, qu’il n’hésite pas à mettre au premier plan. Il étudiait ses créations dans le moindre détail, intégrant dans son architecture toute une série d’ouvrages artisanaux dont il maîtrisait lui-même parfaitement les techniques : la céramique, la verrerie, la ferronnerie, la charpente, la maçonnerie, etc. 34 Il composa un style organique trés personnel, basé sur l’observation de la nature, ainsi que par l’utilisation de surfaces réglées et du système de maquettes funiculaires, pour donner à ses oeuvres des formes asymetriques, ondulantes et innovantes. La force de son travail réside dans sa capacité à générer des formes organiques et inorganiques très innovantes, tant sur le plan constructif que sur le plan conceptuel, auquel il trouve systématiquement des solutions pour les rendre transmissible et communicable aux contructeurs. De nos jours l’ordinateur permet d’étudier avec une plus grande facilité la complexité de son architecture, qui mèle l’utilisation de courbes structurelles, une symbolique et phénoménologie profonde, ainsi que des systèmes de subdivisions appellés fractales. Parmi ses constructions, la Sagrada Familia est celle qui exprime avec perfection la synthèse de ses recherches, formalisant encore aujourd’hui un profond puit de savoirs pour les architectes.

Eglise Sagarada Familia 34

https://fr.wikipedia.org/wiki/Antoni_Gaudí

4.1.2 Une tendance pour les surfaces réglées Pour la construction des formes géométriques de la Sagrada Familia, Gaudi utilisait un système de double courbes de surfaces réglées. C’est notamment par ce procedé qu’il pouvait représenter des formes organiques ou inorganiques ressemblant à des ossements. Une surface réglée est une forme géométrique déterminée par le mouvement d’une ligne droite appelée génératrice, se déplacant sur une ou deux lignes, appelées directrices. Bien que souvent confondues avec les surfaces développables, les surfaces réglées ne forment pas obligatoirement des modèles tridimensionnels pouvant être reconstitués par une ou plusieurs surfaces bidimensionnelles.

Composition d’une surface réglée

Paraboloïde hyperbolique

Gaudi utilisait principalement quatres types de surfaces réglées : les paraboloïdes hyperboliques, les hyperboliques à une nappe, les hélicoloïdes, et les conoïdes. Ces formes étant générées par des lignes droites, elles possédent des atouts contructifs non négligeables pour les maçons et sculpteurs. Elles offrent l’avantage d’être aisément reproduites à partir d’un fil tendu, et de faciliter le control des raccords et des encoignures lors de la rencontre entre deux surfaces. 35

Hyperboloïde à une nappe

Le plafond, ainsi que les façades intérieures de l’église de la Sagrada Familia, sont essentiellement générés par ce procédé.

Hélicoïde

Surfaces développables, et leur représentation bidimentionnelle

Conoïde

BURRY, Jan and Mark. Mathématique et architecture. (2010) Act Sud.

4. Partie IV : Les architectes de l’optimisation, Antoni Gaudi 4.1.2 Une tendance pour les surfaces réglées :

Colonnade de la façade de la Passion

Exemple de la colonnade sur la façade de la Passion La construction de la colonnade se trouvant sur le fronton de la façade de la Passion démontre l’utilisation des surfaces réglées pour générer les géométries organiques. Chaque colonne est basée sur l’intersection d’une ellipse hyperbolique, et de huit paraboloïdes hyperboliques. Les deux géométries se rencontrent le long d’une ligne qui apparaît sur les deux surfaces. En modifiant les points de contrôle sur la ligne on peut faire varier le modèle de manière infinie, donnant à l’outil numérique une grande souplesse pour décliner ces formes.

Colonnade de la façade de la Passion

La forme du fronton étant trapézoïdale, chacune des colonnes possèdent une proportion unique, qui semble progresser selon un algorithme contrôlant la forme croissante des colonnes vers le sommet. Elles sont toutes semblables, mais chacune d’entre elles est unique. Un algorithme a du être utilisé afin de pouvoir les reconstituer virtuellement. 36 Algorithme et script pour la reconstitution de la colonnade

Reconstitution d’une colonne sur la façade de la Passion à partir de surfaces réglées 36

Reconstitution de la colonnade sur un modeleur numérique

BURRY, Jan and Mark. Mathématique et architecture (2010) Act Sud.

4. Partie IV : Les architectes de l’optimisation ,Antoni Gaudi 3.1.4 Cas d’étude de la façade de la Passion : l’algorithme topologique Une optimisation topologique a été appliquée au modèle informatique de la façade de la Passion afin d’analyser la structure et déterminer son optimisation. Les résultats obtenus sont sensiblement identique aux plans tracés par A. Gaudi plus de 120 ans auparavant, mettant en avant ses talents sur la compréhension des systèmes structurels. On notera la présence d’arcs caténaires et le principe de progression fractale.

3.1.4 L’arc optimal : une construction par des chainettes Gaudi est connu pour ses recherches d’optimisation structurelle, qui visent la détermination de la forme géométrique la plus adaptée selon un effort, pour libérer le plus de matière possible. La théorie de Robert Hooke sur la forme des chaines en suspension, ou arcs caténaires, sera l’objet majeur de ses recherches afin de la transposer en théorie architecturales.

Chaine pendue

Arc

Arc en chainette par R. Hooke

Cette théorie explique qu’une courbe tracée par l’action d’une chaine sous influence de la gravité, décrit le chemin le plus efficace pour la transmission des efforts de traction. Lorsque le modèle obtenu est inversé, le sens des efforts s’inverse, donnant un arc optimisé pour la compression. 37 Cet arc est appelé “optimal” car toute la matière présente dans la forme est utilisée pour la reprise de la charge, contrairement à l’arc circulaire en plein cintre, où cette ligne de force n’est pas respectée. Lorsque cette ligne est respectée, il n’y pas de forces transitoires verticales nécessitant d’être logées dans la masse de la structure, et permettant ainsi de libérer de la matière.

Application de la théorie de R. Hooke sur plusieurs courbes et une surface

Ce procédé permettant d’obtenir des arcs fonctionnant uniquement en compression, garantissait à A. Gaudi que l’ensemble de ses constructions pourrait être construites en utilisant les matériaux et les techniques issus de la maçonnerie. La courbure générée varie en fonction de l’agencement des poids, de leur masses, de la longeur de la chaine et son élasticité, ce qui offre un grand nombre de possibilitées d’adaptation architecturale.

HUERTA, Santiago. Structural Design in the work of Gaudi. (2006), Recherche, Université Polytechnique de Madrid.

4. Partie IV : Les architectes de l’optimisation, Antoni Gaudi 4.1.4 L’arc optimal : une construction par des chainettes Cette courbure se retrouvera dans la quasi totalité de ses oeuvres, qu’il utilisa comme élément clef de génèse.

Palais Güell

Structure dans le Parc Güell

Intérieur de la maison Battlo

4.1.4 L’arc optimal : le modèle funiculaire Il est possible de pouvoir réunir dans un même ensemble, plusieurs arcs en chainettes interagissant entre elles. On parlera alors de modèle funiculaire. Le modèle funiculaire utilisé pour la Sagrada Familia atteignit jusqu’à 4 mètres de hauteur, afin d’avoir les arcs les plus précis possible.

Reprise de charges d’un arc optimal

Ces modèles, les plus souvent tridimensionnels, permettent de décrire des formes voutées et des dômes ainsi que de visualiser la déformations des arcs lorsqu’ils sont empilés, ou croisés. Cette technique permet d’obtenir les actions tridimensionnelles de la structure, et de les analyser sur le modèle en deux dimensions à partir de l’arc généré par les chainettes. Il est ensuite possible de calculer les dimensionnements de chaque arc en appliquant uniquement les calculs de la statique et de la résistance des matériaux. 38 Les modèles funiculaires formant un système qui s’équilibre sous contrainte en temps réel, les arcs caténaires ne peuvent être produits qu’avec l’utilisation de maquettes et non être dessinés. Les géométries paraboliques ont souvent été utilisées pour palier à la contrainte de l’expérimentation, par leur capacité à approximer les arcs caténaires. Elles possèdent une formule plus simple, nécéssitant seulement deux points équidistant et une droite pour être tracé.

Conception d’un pillier du parc Güel

Conception d’un arc hyperbolique

Réprésentation de la fabrication de courbures à partir d’un cône 38

HUERTA, Santiago. Structural Design in the work of Gaudi. (2006), Recherche, Unversité Polytechnique de Madrid.

4. Partie IV : Antoni Gaudi 4.1.4 L’arc optimal : le modèle funiculaire

Maquette funiculaire utilisée pour la Sadraga Familia, au Musée Gaudi à Barcelone.

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Détail d’une courbe de chainette générée avec des poids

4. Partie IV : Les architectes de l’optimisation, Frei Otto 4.2.1 Introduction Frei Otto est un architecte, ingénieur et professeur allemand, reconnu mondialement pour sa contribution au développement des surfaces tendues, aussi appelées “membranes”. Trés concerné par l’utilisation minimale de la matière, ses travaux sont constamment dirigées par la recherche d’optimisation des constructions. Il s’oppose à une architecture lourde et monumentale, afin de favoriser des conceptions légères, minimalistes et traversantes. Frei Otto

Stade Olympique de Munich

Multihall de Manhein

Frei Otto possédait un attrait certain aux formes organiques et naturelles dont il reprennait souvent les procédés pour les appliquer à ses oeuvres, particulièrement les formes soumises aux forces de tension superficielles. Il orientera la majeur partie de son travail sur les recherches formelles autour de la surface minimale et des systèmes structurels utilisant essentiellement de la traction. Il est notamment considéré comme l’un des pères de la bionique en architecture. 39 Il fonde en 1964 l’Institut pour les Structures Légères (IL), pour prolonger ses recherches sur les applications architecturales possibles issues de ce système constructif, où les architectes et les ingénieurs travaillent sur un pied d’égalité. Ce centre produit également des recherches sur les liens possibles entre l’architecture et la biologie, ainsi que l’étude de structure présente dans la nature.

Volière du Zoo de Londres

Pavillon allemand, à l’Exposition Universelle de Montréal (1967) 39

STALS, Adeline. Nature et architecture: de la morphogénèse du vivant à la création numérique.(2014), Mémoire de master, Faculté d’Architecture de Liège.

4.2.2 Optimisation structurelle : les forces de tension Les forces de traction sont les efforts les moins pénalisants d’une structure car les efforts ne peuvent se déplacer que dans la ligne de force la plus courte et ne peuvent pas être déviés. Les déformations des structures compressives comme le flambement, le déversement, ou le fléchissement, dues à la déviation des efforts vers l’exterieur de la structure et souvent reprises par l’addition parfois massive de matières supplémentaires, sont ici inexistants. Cela permet à la fois d’assurer une grande stabilité structurelle et de simplifier son calcul, tout en utilisant la quantité minimale de matière. Lorsqu’une surface reprend uniquement des efforts de tractions dans une ou plusieurs directions, elle sera nommée de surface “tendue” et lorsqu’il s’agit d’une structure on parlera de structure “tensible”. Les surfaces tendues font parties des formes dites “mécaniques” car leurs géométries sont liées à la force s’exerçant sur elles. Pour dessiner une surface tendue tridimensionnelle, il est possible d’utiliser des surfaces réglées pour prédire la forme d’une surface à simple courbure, mais lorsque l’architecte tient à génerer des surfaces à double courbures, la représentation devient presque impossible car chaque point situé sur la surface possède des coordonnées spatiales différentes.

Surface tendue hyperbolique

Surface tendue conique

Surface tendue par des arcs

Surface tendue pneumatique

Sens des tensions dans les surfaces tendues à double courbures inversées

4. Partie IV : Les architectes de l’optimisation, Frei Otto 4.2.3 Les surfaces minimales : tension des bulles de savon Pour concevoir des surfaces tendues à double courbures, Frei Otto utilisa un procédé révolutionnaire lui permettant de connaître la position spatiale de chaque point d’une surface comportant le minimum de matière possible. Forme naturelle des bulles de savon aglomérées, qui inspireront l’algorithme Voronoie

Maquette expérimentale utilisée par Frei Otto

Il utilisait une structure métallique composée d’arceaux, plongés dans un bac d’eau savonneuse pour générer des surfaces à double courbures inversés. Une force de tension s’exerce sur le film d’eau savonneuse qui ne supporte aucun étirement et s’efforce de rester accroché au bord de la structure, permettant ainsi d’éliminer tout excédant de matière ne participant pas au maintien de la surface. Ce procédé instantané, garantit que toute la matière constituant la forme ne subit que des efforts de traction, repartis équitablement dans l’ensemble de la surface, en garantissant l’utilisation minimale de matière. Il fera varier la forme et la proportion de la structure métallique, afin de découvrir toutes les possibilitées formelles de ce procédé. Dans ses recherches sur les systèmes de maquettes en tension, Frei Otto utilisera du tissu pour obtenir à la fois des modèles obéissant à la tension de surface et, dans certain cas, des formes tendues soumises à la gravité.

Surface tendue générée à partir d’une maquette en tissu

Cette quête de la surface minimale poursuit les travaux menés par Joseph Louis Lagrange, érudit italien du XVIe siècle, sur l’optimisation mathématique des surfaces. 40

Modèle virtuel, combinant forces de tension et force de gravité 40 OTTO, Frei. Architecture et bionique : construction naturelle. (1985), Delta&Spes

4.2.4 Les surfaces tendues pour l’architecture Frei Otto conçoit ses projets par des surfaces minimales en utilisant uniquement des systèmes structurels en traction, auxquels il appliquera des matériaux ultra légers, tel que des textiles ou des plastiques souples. Ce procédé architectural a été peu repris, malgré ses capacités structurelles exceptionnelles du point de vue de la legèreté, de la stabilité et de l’économie de matière. Il est principalement utilisé pour des installations éphémères, ou des couvertures légères.

Projet généré par des surfaces tendues

L’amélioration des logiciels et la démocratisation du form finding amènent à croire à un retour prochain de cette technique formelle architecturale.

Pavillon allemand, Exposition Universelle de Milan (2015)

Shanghai Gallery, Knipper Helbig

Innovation Center, Asu Skysong

Skilled Park

4. Partie IV : Les architectes de l’optimisation, Richard Buckminster Fuller 4.3.1 Introduction Richard Buckminster Fuller, de son surnom “Bucky”, est un écrivain, architecte futuriste et designer américain du XX° siècle. Il est un profond militant écologiste, conscient des ressources limitées de la terre, qui prône un principe structurel novateur appelé “éphémérisation”, qui peut être définit par “faire le plus avec le moins”. Richard B. Fuller

Dymaxion Car

La majorité de ces travaux sont des recherches qui visent l’optimisation de la quantité de matière utilisée dans la construction. Il tente notamment d’appliquer les techniques utilisées dans l’aéronautique et le design automobile. Il décrit ses structures comme des systèmes “synergétiques”, car chaque partie de l’objet permet l’équilibre des forces transitant de son ensemble, assurant un transfert global des efforts. 41 Tout le volume de matière présent est mis à profit, offrant des économies inégalés et une résistance accrue. Ce procédé est utilisé dans ses oeuvres les plus connus, les prototypes de maisons préfabricables appelés “Dymaxion”, ainsi que pour les structures des dômes géodésiques.

Dymaxion House

BRUNEAU, Yassine. Architecture et numérique. (2016), Mémoire de master, ENSA Paris-Val de Seine.

4.3.2 Le dôme géodésique : quantité minimale, résistance maximale Les dômes géodésiques ont été breveté par R. B. Fuller, qui s’appuya sur les travaux menés par le chercheur Walter Bauerfeld, qui expérimentait les surfaces minimales trente ans auparavant. Cette forme minimale est obtenue par un empilement successif de triangles suivant un polyèdre générateur appelé un icosaèdre, et dont la forme sphérique est régulée par l’agencement des pentagones. Cette technique lui permet de rendre sa surface développable, et de standardiser la forme des faces qui la compose.

Forme géodésique et son polyèdre générateur.

Les dômes géodesiques intègrent les structures dites réticulées, c’est à dire par l’assemblage de plusieurs barres dans un système bidimensionnel ou tridimensionnel, liées par des rotules. Elles possèdent une stabilité et d’une optimisation remarquable conférées par leur géométrie sphérique, qui transfert tous les efforts reçus en force de compressions répartis dans l’ensemble de la structure. 42 Ce système reste en revanche trés limité car il contraint la morphologie de l’édifice à respecter une forme sphérique, excluant donc toute déformation possible de sa surface ou de sa forme géométrique initiale.

Projet Biosphère 42

Stade de Nagoya

https://fr.wikipedia.org/wiki/Dôme_géodésique

4. Partie IV : Les architectes de l’optimisation, Richard Buckminster Fuller 4.3.2 Le dôme géodésique : L’ Eden Project, un exemple d’optimisation Le complexe environnemental de l’Eden Project, construit en 2001 par l’architecte Nicolas Grimshaw, symbolise l’efficacité du dôme géodésique. En effet l’utilisation combinée de cette forme optimale avec des panneaux gonflables en ETFE permet un tel gain de matière, que les calculs ont démontré que la masse de la façade et de sa structure sont inférieures à la masse d’air présente à l’intérieur du volume. Un record encore inégalé, qui oriente vers de nouvelles approches et techniques architecturales. 43

Coupe sur l’un des dômes structurels

Perspective intérieur du dôme

Vue d’ensemble de l’Eden Project

https://www.detailsdarchitecture.com/eden-project

4.3.3 La tenségrité, un pont entre la biologie et l’ingénierie La tenségrité, terme provenant de la contraction anglaise de “tensible intégrity”, a été introduit par R. B. Fuller pour désigner une construction dont la stabilité est assurée par l’équilibre des contraintes mécaniques exercées sur ces différentes parties avec la plus grande optimisation possible. Les structures utilisant la tenségrité sont, en générales un ensemble de barres reliées entre elles par des câbles et des tirants, conjugées de manière à ce que les efforts de compressions et de tractions se répondent de manières mutuelles, donnant naissance à un équilibre global de la structure. Les efforts sont entièrement contenus à l’intérieur de l’objet, n’exerçant aucune force sur son environnement externe, à l’inverse des structures tensibles, qui nécessitent des ancrages au sol pour reprendre les efforts de tractions.

Modèle de tenségrité

La tenségrité ouvre un pont avec les sciences naturelles, en particulier le domaine de la biologie. Ce système de structure se retrouve dans les cytosquelettes des cellules animales, dont les microtubules forment un réseau de contraintes exercées par des filaments. 44 L’arrivé de l’outil numérique et des logiciels de programmation comme Rhinocéros et Grasshopper, permettent de poursuivre les recherches sur ce type de structure et d’éviter qu’elles ne tombent dans l’oublie, malgré leur fortes potentialités constructives. Ils offrent la possibilité de pouvoir simplifier la conception de ses structures, ainsi que des simulations en temps réel grâce à leurs interfaces. On les retrouve notamment dans des ouvrages d’ingénieries et des pavillons, qui mettent à profit la valeur esthétique et originale de cette structure.

Relation entre l’os du bassin et un modèle de tenségrité

Variante d’un même modèle tensègre 44

www.cnrs.fr/languedoc-roussillon/tensegrite.

4.3 Partie IV. Les architectes de l’optimisation, Richard Buckminster Fuller 4.3.3 La tenségrité, un pont entre la biologie et l’ingénierie

Sculpture tensible à l’Université de Stuttgart

Pavillions Hayato à Tokyo

Analyse des forces transitant dans le modèle et conception de structure tensible à partir du modeleur Rhinocéros et son Plug-in de programmation Grasshopper.

Pont Kurilpa à Brisbane

Pont Henderson à Singapour

5. Conclusion

La réponse à la problématique de départ peut être apportée selon trois thématiques. L’optimisation morphologique est un lévier important pour le développement et la recherche architecturale. La ligne droite n’existe pas dans la nature car elle forme la ligne la moins adaptée aux phénomènes composant l’environnement. De nombreuses solutions existent pour optimiser une forme, convergeant toutes à une compréhension des phénomènes naturelles et le respect du type morphologique qui en découle. L’optimisation d’une forme en suivant l’influence des forces naturelles permet d’améliorer les performances structurelles et de réduire la quantité de matière en donnant le meilleur état possible d’une forme. Le processus d’optimisation a principalement été vu et compris comme un alignement sur les procédés utilisés dans l’industrie. Il induisait bien souvent à la production d’un modèle unique, répeté sans fin, limitant donc la conception à une architecture basée sur “catalogue”. Une rupture s’est produite entre la forme et le fond, aussi bien par la volonté artistique, qu’un rationalisme basé sur l’économie de fabrication. Les constructions aujourd’hui ne portent plus la marque d’un processus géneratif profond issu des contraintes ou efforts naturels, alors que paradoxalement la nature donne toute les pistes. A. Gaudi, F. Otto, R. Buckminsterfuller abordaient la conception d’un édifice par un rapport très étroit entre la forme et sa mécanique, interrogeant de la réelle séparation entre l’architecture et l’ingénierie.

La recherche esthétique liée au symbolisme ou la recherche d’expressivité artistique doivent en premier lieu donner place aux liens intimes qu’une forme doit avoir avec son environnement. La recherche structurelle, apportée par les algorithmes ou les méthodes form finding, mettent en avant le langage architectural très riche et novateur résultant de ce lien. Il formalise le premier facteur d’intelligence morphologique, ouvrant la voie à la vérité constructive et à la redéfinition du sens même d’une architecture écologique ou responsable. L’outil numérique offre à l’architecte une aide précieuse par sa capacité à reproduire virtuellement et à simplifier des expérimentations parfois complexes à mettre en place ou à interpréter. Cette prise en charge numérique permet de ne plus se focaliser sur la mise en place de l’expérimentation, mais sur l’analyse des résultats et des stratégies programmatiques qui pourraient en découler. Les espaces algorithmiques et de form finding offrent de nombreuses possibilités, dont le champs d’application ne cesse d’évoluer. Le projet est vu comme un processus dynamique et systémique, composé de nombreux paramètres. Cette logique générative permet le rapprochement avec certains domaines et l’apparition de géométries innovantes. La puissance de l’outil numérique, utilisé aussi bien dans la conception que dans la fabrication, permet la création d’oeuvres uniques répondant aux spécificités de chaque contexte. Cela mène le projet à devenir intriqué dans son site et non plus déposé. Il permet en particulier dans la phase de conception l’intégration des données et des facteurs environnementaux complexes, ne pouvant pas être réalisées manuellement dans les délais du projet.

5. Conclusion

L’architecture organique est, à mes yeux, un processus de génération et de recherches formelles appuyés sur les éléments naturels. Il est nécessaire de faire une distinction entre formes libres générées par l’absence d’orthogonalité, et forme organiques, qui sont naturellement des morphologies fonctionnelles répondant à des contraintes et des conditions physiques, structurelles ou environnementales. Serre du jardin de Singapour

Lylipad, Vincent Callebaut

Le défi aujourd’hui est de réduire l’inertie dans l’application des nouvelles technologies dans la conception et de favoriser des liens avec les disciplines des sciences naturelles. Les recherches ont mis en avant la nécessité de posséder des acquis dans de nombreux domaines. Les mathématiques, la géographie, les sciences climatiques, la biologie, sont autant de domaines partenaires qui peuvent se prêter à des collaborations. Il est aussi primordial pour le champ architectural de s’ouvrir à d’autres théories, par exemple, par Alan Turin ou d’Arcy Thomson. Ces connaissances peuvent être acquises en exploitant le potentiel de la culture numérique par l’utilisation des MOOCs, et en intégrant des lieux de recherches et d’expérimentations collaboratifs, tels que les FabLab ou les BioLab.

King Forest, Vincent Callebaut

Choral Orcha, Vincen Callebaut

Evolo Sky Scrapper 2014

Les plateformes d’expérimentation et de recherche industrielle tels que Dassault Systèmes sont des partenaires indispensables pour le croisement de connaissances interdisciplinaires de l’architecture avec l’aviation, l’aéronavale ou l’automobile. La création de formes organiques au travers de l’outil numérique remet en cause le langage actuel de l’architecture contemporaine. Si les architectes concèdent à laisser d’avantage la forme être le résultat d’un processus génératif, dont l’intention est principalement orientée sur les données qui la parametreront, les possibilités morphologiques aujourd’hui catégorisés d’utopies, pourront devenir notre quotidien.

Evolo Tower 2012

Evolo Sky Scrapper 2014

6. Lexique

Sculpture, Greg Lynn

Maison sur la Cascade, Frank L. Wright

City of Merien, Jacque Rougerie

Architecture non standard Le terme non-standard a été introduit en 1961 par Abraham Robinson, qui établit une théorie mathématique d’analyse basée sur l’utilisation d’algorithmes et de calculs infinis. Utilisé en architecture pour la première fois par Bernard Cache, il décrit la forme des ouvrages ainsi que de certaines pièces préfabriquées, complexes et non répétitives, rendue possible par l’utilisation de l’outil numérique. Architecture organique Introduit par François Buckhardt au XIXe siècle, il exprime un lien entre le projet et la connaissance de la nature. Selon lui, l’architecture organique peut être vue de deux manières : - La première basée sur un travail naturaliste ou sur un travail symbolique. La création a pour but de donner à l’objet une apparence directement liée à la nature, que ce soit physique, mathématique ou symbolique. - La seconde fonde l’organique sur une méthode capable de faire interagir la conception de la forme et de l’espace entre l’intérieur et l’exterieur ainsi que sur le principe d’harmonie et l’indivisibilité des parties. Bionique Champs scientifique qui effectue des recherches sur les plantes, les animaux et les systèmes biologiques afin de pouvoir améliorer les technologies non biologique. Il vise à comprendre les mécanismes des organismes vivants et évolutifs afin de pouvoir les appliquer sur des réalisations humaines. Biomimétisme Un courant de pensée scientifique qui examine la nature, ses modêles, ses systèmes et ses processus, afin de

pouvoir les reproduire sur des conceptions humaines. Le terme a été introduit par Janine Benyus, dont le courant philosophique a pour fondement l’inspiration et l’imitation des fonctions et organisation du vivant hérités au cours de l’évolution. La pensée vise à réconcilier les activités humaines avec la biosphère pour construire une société plus durable. Biomorphisme Apparût au XXe siècle pour décrire des oeuvres d’art dont la forme rappelle celle du monde organique ou minérale, s’extrapole maintenant aux formes architecturales. Il ne définit pas de règles précises ou de structures pour générer la morphologie, se basant principalement sur le ressenti personnel et individuel de chacun.

Jardin botanique, Medellin

Pavillon espagnol à Tokyo

Morphologie Champs scientifique dans la biologie qui étudie la forme et la structure externe des êtres vivants. La morphologie considère les formes comme des entités actives, réactives et soumises à des forces. Surface minimale Introduit par Joseph L. Lagrange au XVIIe siècle, elle détermine une surface maintenue entre ses bords, dont la forme ne peut plus être réduite. Il tentait de déterminer si chaque courbe possède une limite par rapport à la superficie de la surface qu’elle compose. Ses travaux seront la base du système de relaxation dynamique, qui vise à réduire ou rendre nul l’énergie nécessaire au maintien d’une surface courbe, pour augmenter son équilibre et donc sa stabilité.

Surface minimale, Toyo Ito

7. Bibliographie Livres :

• BURRY, Jan and Mark. Mathématique et architecture. (2010) Act Sud.

• CAILLETTE, Jean Claude. Antonio Gaudi- Architecte de génie. (2011), l’Hartmattan.

• CHARLESTON, Andrew. Structure as architecture: a source book for architects and structural engineers. (2014), Routledge.

• CRUZ, Paulo. Structures and architecture. (2010), CRC Press

• GORDON,J, E. Structures et matériaux, l’explication mé- canique des formes. (2001), L’univer des sciences.

• GRATALOUP, Daniel. Pour une nouvelle architecture. (1987), Bibliothèque des Arts Paris-Lausanne.

• HILDEBRANDT, Stefan.TROMBA, Anthony. Mathema- tiques et formes optimale, l’explication des structures naturelles. (2003), L’univers des sciences.

• JODIDIO, Philip. Zahah Hadid. (2010), Taschen.

• KRAUEL, Jacobo. Architecture et design contemporain : Conception et fabrication numérique. (2008), Cuboctaedro.

• LOPEZ, Daniel. LUDWIG, Ryan. MOUSSAVI, Farshid. The. function of form. (2014), Actar.

• MIGAYROU, Frederic. Architecture non standard. (2003), Centre Pompidou.

• MIMRAM, Marc. Structure et forme. (1983), Duno.

• MIGAYROU, Frederic. BRAYER, Marie-Ange. Naturaliser l’architecture. Archilab. (2013), FRAC centre

• PAULY, Mark. MENGES, Achim. KOHLER, Matthias. Advances in Architectural Geometry. (2016), VDF.

• OTTO, Frei. Architecture et bionique : construction naturelle. (1985), Delta & Spes

• PICON, Antoine. Culture numérique et architecture. (2010), Birhauser.

• STEVEN, Peter. Les formes de la nature. (1978), Science ouvertes.

• WOODBURRY, Robert. Elements of parametric design. (2010), Routledge.

• THOMSON, D’Arcy. Forme et croissance. (1917), CNRS. • TEDESCHI, Arturo. Algorithms Aided Design.Paramet- ric Strategies using Grasshopper. (2014), Le penseur.

7. Bibliographie Mémoires, thèses et recherches :

• AGKATHIDIS, Asterios. Computational architecture. (2012), Recherche, Univeristé Americaine de Beyrouth.

• ALMARAZ, Aitor. Evolutionary optimisation of parametric structure. (2016), Thèse de doctorat, ETSAC, Corogne.

• BAGNERIS, Marine. Contribution à la conception et à la réalisation de morphologie non-standard : les formes pascaliennes comme outils. (2009), Thèse de doctorat Université de Montpellier.

• BRUNEAU, Yassine. Architecture et numérique. (2016), Mémoire de master, ENSA Paris-Val de Seine.

• CREPIN, Julie. L’approche biomorphique en architecture. (2006), Mémoire de master, ISA la Cambre, Bruxelles. • HUERTA, Santiago. Structural Design in the Work of Gaudi.(2006), Recherche, Université Polytechnique de Madrid.

• KHABAZI, Mohamad. Algorithmic modeling with grasshopper. (2010), Recherche, AA school of Architecture, Londres.

• MAURIN, Bernard. Recherche de forme et conception de structure innovantes. (2007), Thèse de doctorat, Université de Montpellier.

• RIBER, Jacob. Generative Processes in Architectural De- sign. (2014), Thèse de doctorat, Ecole d’Architecture, de Design et de Conservation, Copenhagen.

• BEN MANSOUR, Oumnia. Biologie et architecture. (2015), Mémoire de master, ENA de Rabat.

• STALS, Adeline. Nature et architecture: de la morpho- génèse du vivant à la création numérique. (2014), Mémoire de master, Faculté d’Architecture de Liège.

• SILVESTRI, Chiara. Perception et conception non standard. (2009), Thèse de doctorat, Université de Mont pellier.

• WENDLAND, David. Model-based formfinding processes : free forms in structural and architectural design. (2012), Recherche, Université de Stuttgart.

7. Bibliographie Articles, vidéos et conférences :

• AA School of Architecture.Advancement in Design Computation. (2014), Conférence réalisée par AA School of Architecture, Londres.

• AA school of Architecture. Morphogenetic Design Strate- gies. (2015), Conférence réalisée par AA School of Architecture, Londres.

• CARPO, Mario. La fin du numérique : la fin du com- mencement et la fin du projet. (2011), le visiteur, N°17, page : 78-81. • EISENMAN, Peter. Foundation of Digital Architecture. (2013), Conférence réalisée par CCAchannel, Montréal.

• FRAZER, John. Computational Design. (2014), Conférence réalisée par European Gratuate School Video Lecture, Saas-Fee.

• GRAMAZIO, Fabio. Digital Materiality in Architecture. (2014), Conférence réalisée par Lift conférence, Genève.

• LYNN, Greg. The shape of things to come. (2015), Con- férence réalisée par Piaggio Grou, Milan.

• MENGES, Achim.Rethinking Matériality Through Com- putation in Architecture. (2014), Conférence réalisé par Stockholm Association of Architects, Stockholm.

• MENGES, Achim. Coalescence of Machine and Machine Computation. (2015), Conférence réalisée par la AA School of Architecture, Londres.

• MIT. Advances in Architectural Geometry. (2012), Vidéo réalisée par Art at MIT, Youtube.

• HANSMEYER, Michael. Building unimaginable shapes (2012), Conférence réalisée par TEDtalks, TEDGlobal.

• OXMAN, Neri. Le design à l’intersection de la techno- logie et de la bilogie. (2015), Conférence réalisée par TED Talk, Boston.

• OXMAN, Neri. On designing form. (2010), Conférence réalisée par POPTECH, Boston.

• PAWLYN, Michael. Using nature’s genuis in architecture. (2011), Conférence réalisée par TED Talk, London.

• Programming Architecture. Genetic Algorithms- Structural Optimisation. (2011), Vidéo, Youtube. • SCI-Arc. Advances in Architectural Geometry. (2012), Vidéo, Youtube. • SCHUMAKER, Patrick. Parametricism. (2013), Con- férence réalisée par Magic Made, Bangkok.

8. Annexe 8.1 La fabrication numĂŠrique

8. Annexe 8.2 Luc Schuiten, archiborescence et utopie urbaine

Images provenant de ses nombreuses bandes dessinées. On remarquera son attachement à repenser l’urbanité des villes par des formes beaucoup plus organiques et peu minéralisées.

La nature est un gisement de créativité que l’esprit de l’Homme de ne peut égaler. Un grand nombre d’architectes, précurseurs ou non, ont effectué des recherches dans sa direction en se basant sur l’observation de celle-ci, et sur l’influence de sa physique. Les capacités de l’outil digital, nous permettent aujourd’hui de pouvoir prolonger ses théories souvent oubliées, et de les transposer avec les nouvelles possibilités. Cela permettra peut être aux architectes saisissant cette nouvelle vague de formuler une architecture profondement riche et innovante pour demain.

Algorithme / Architecture expérimentale / Form Finding / Morphogénèse numérique / Optimisation / Processus parametrique

Nicolas CHARLES / Mémoire de Master 2017 / ENSAPVS