Déterminante pour la qualité de vie des populations, la conception des structures urbaines peut aujourd’hui être optimisée grâce à des simulateurs conçus par des ingénieurs pour des architectes. Leur principale qualité : une immersion 3D qui rend les problèmes immédiatement visibles…

Alors que plus de 50 % de la population mondiale vit désormais en agglomération, les problèmes environnementaux que suscite cette évolution sociétale commencent à trouver des réponses. On n’en est pas encore à “mettre les villes à la campagne”, comme le préconisais ironiquement Alphonse Allais, mais les grands principes de planification et d’aménagement de nos quartiers évoluent dans un sens résolument “vert”.

Pour accompagner ce changement, un certain nombre d’organismes généralement universitaires développe des idées et des modèles dans le but d’aider les architectes à prendre les bonnes décisions. C’est le cas en particulier du projet GEnUSiS (Green Environmental Urban Simulations for Sustainability), qui vise à mieux définir les interactions complexes entre les structures urbaines et leur environnement immédiat. L’objectif ? Réduire l’empreinte carbone des lieux de vie, leur exposition aux polluants et la production de chaleur qui découle du simple fait d’habiter.

Le projet GENuSiS est l’exemple-type de la collaboration multidisciplinaire. Il réunit les instituts d’ingénierie mécanique, de sciences atmosphériques et d’informatique de l’Université d’Utah, ainsi que le département d’informatique de l’Université du Minnesota. Au sein de celui-ci, le Dr Peter Willemsen, spécialiste des interactions avec les environnements virtuels, propose des solutions permettant de tester différentes options d’implantation de bâtiments et d’espaces verts.

Comme il l’avoue lui-même non sans fierté, “notre but ultime est de concevoir des outils de référence conduisant à l’aménagement d’agglomérations qui soient plaisantes esthétiquement, qui constituent des environnements sains, qui optimisent la gestion de l’énergie et des déchets, et qui s’adaptent sans contrainte aux activités des populations urbaines d’aujourd’hui”.

“De multiples itérations sur de larges échelles spaciales”

Pour cela, le professeur et ses étudiants développent des simulateurs “agiles” de dispersion de pollution et de radiation de chaleur. Ces outils ont vocation à être utilisés rapidement dans les phases de décisions d’implantation. L’agilité en question n’est toutefois pas obtenue au détriment de la performance applicative. Comme le précise le Dr Willemsen, “pour être pertinentes et révéler pleinement les effets potentiels de l’environnement local sur le projet, les analyses nécessitent plus qu’une simple simulation. Nos systèmes permettent de multiples itérations sur de larges échelles spatiales et de nombreuses options techniques. Ce n’est qu’en testant un grand nombre de scénarios qu’on arrive à trouver le juste équilibre entre exposition à la pollution et consommation énergétique.”

“Ce que nous souhaitons”, poursuit-il, “c’est que les architectes et les responsables en charge de la planification se posent des questions du type : quel est l’impact de nos choix d’implantation, de hauteur, de largeur, de structure, d’orientation, de matériaux… ? Pour y répondre, nous travaillons sur différents schémas d’optimisation, à partir de dizaines de milliers de simulations, ce qui permet d’identifier les bonnes idées et d’affiner progressivement la configuration finale du bâtiment.”

Autre domaine de recherche de l’équipe, les infrastructures vertes (toits paysagers, parcs, jardin…). Le Dr Willemsen les considère comme autant d’éléments de nature à restructurer l’environnement urbain immédiat et à induire des effets positifs en termes d’usages énergétiques, de consommation d’eau et d’absorption de chaleur. Et cela non seulement dans le quartier en question mais, plus largement, à l’échelle de l’agglomération toute entière.

Cette vision se fonde sur un nombre croissant d’études consacrées aux systèmes fonctionnels de nos villes, à leur modus operandi, à la façon dont ils devraient être créés, aménagés et entretenus. Toutes montrent avec une belle unanimité que la présence des “incidents naturels”, qui cassent la continuité du paysage urbain, ont des effets positifs bien au-delà de leur périmètre immédiat. La sensibilité écologique des populations les amène naturellement à soigner ces espaces, et par contrecoup à prendre conscience de bien d’autres enjeux liés à la qualité de vie.

Complexes, ces problématiques nécessitent des outils de résolution qui n’ont pu voir le jour qu’avec l’arrivée de technologies HPC accessibles financièrement. Depuis le départ, le Dr Willemsen utilise l’accélération GPU pour maximiser la portée et la rapidité de ses simulateurs. Le principe étant l’itération multiple, tout gain en performance est crucial pour l’applicabilité des outils. De plus, la possibilité de lancer les simulations sur une large variété de périmètres (du local à ce que le Dr Willemsen qualifie de “méso-scales”) est elle aussi assez consommatrice de ressources de calcul. Mais, sans elle, la cohérence des recommandations d’intégration ne serait pas assurée.

Le choix du GPU s’explique également par la virtualisation des environnements étudiés. Pour que les non spécialistes comprennent les enjeux et les interactions à l’œuvre, il faut leur offrir une expérience immersive, dans laquelle ils reconnaissent sans effort leur projet et les éléments situés autour. Les contraintes de représentation et de visualisation 3D qui découlent de la virtualisation ne posent plus de problème dès lors que les données émanent de coprocesseurs graphiques. D’autant que l’offre actuelle permet de coupler des accélérateurs GPU avec des cartes multi-moniteurs à très hautes résolutions, parfaitement dimensionnées pour les besoins de l’architecture ou … de la communication avec le public.

Les étudiants à l’honneur

Une des grandes particularités du programme GENuSis a été de permettre aux étudiants des Universités concernées d’acquérir des formations pratiques dans des disciplines connexes et à forte valeur ajoutée. Les étudiants en master et en doctorat impliqués dans le développement des simulateurs sont aujourd’hui capables – selon leurs professeurs – de s’attaquer seuls à des problèmes complexes mêlant ingénierie, météorologie et informatique.

A un niveau plus scolaire, les équipes du Dr Willemsen et du Dr Pardyjak (de l’Université d’Utah) permettent chaque année à des élèves issus des minorités américaines de se familiariser avec divers aspects de la modélisation assistée par ordinateur dans le cadre de projets de développement urbain. Outre l’acquisition de compétences, l’objectif est ici qu’ils apportent une vision nouvelle au développement de leur communauté.

Enfin, les directeurs du programme ont confié à des étudiants de première année des projets de conception architecturale et de design relatifs à leur propre environnement d’habitation. L’idée était de leur faire comprendre, grâce aux simulateurs, le fonctionnement et l’impact des dispersions de polluants dans des contextes qu’ils connaissent bien. Certains parmi les plus créatifs ont ensuite intégré les équipes de leurs universités respectives et apporteront leur contribution aux développements d’outils complémentaires.