Représentation de simulation thermique en réalité virtuelle pour la construction durable

Representation of thermal building simulation in virtual reality for sustainable building

• Auteur / Autrice : Yudi Nugraha Bahar
• Direction : Christophe Nicolle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation et informatique de l'image
• Date : Soutenance le 15/04/2014
• Etablissement(s) : Dijon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Electronique, Informatique et Image (LE2i) (Dijon, Côte d'Or ; Auxerre, Yonne ; Chalon-sur-Saône, Saône-et-Loire ; Le Creusot, Saône-et-Loire ; 1996-2018) - Laboratoire Electronique, Informatique et Image (Dijon ; Le Creusot, Saône-et-Loire)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Lapayre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Livio De Luca, Gilles Gesquière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bilan thermique (thermique)

Réalité virtuelle

Modélisation des données du bâtiment

Imagerie tridimensionnelle

Mots clés libres

Simulation thermique du bâtiment

BIM

3D

La réalité virtuelle

L'intégration des données

La visualisation scientifique

Thermal building simulation

BIM

Three-dimensional (3D)

Virtual reality

Data integration

Scientific visualization

Résumé

La sobriété énergétique du bâti devient aujourd’hui un élément clé en phase de conception. L’intégration en amont d’outils numériques, notamment la réalité virtuelle (RV). Nous a conduit, dans cette recherche, à nous concentrer sur les résultats de simulations thermiques visualisées dans un environnement virtuel. La contribution est portée sur la représentation et la perception dans un EV de ces données issues de simulation. Nous nous limitons à la caractérisation de l’efficacité énergétique en processus de conception. Cette étude vise la prédiction des performances thermiques dans des systèmes de réalité virtuelle. Les problématiques de formats de données et de flux de travail entre la modélisation classique CAO (Conception Assistée par Ordinateur), les simulations thermiques, et la visualisation immersive sont également traitées. Il existe plusieurs outils logiciels dédiés à la représentation de simulations thermiques en EV et le premier enjeu de ces travaux fut de sélectionner l’outil approprié. De nombreux modeleurs CAO, logiciels de simulation thermique et outils de RV sont disponibles ; ils diffèrent notamment par leurs approches (fonctionnalités et environnement logiciel). La problématique d’interopérabilité (formats d’échange entre les outils logiciels) requiert de bâtir un flux de travail structuré. Les difficultés d’intégration entre outils CAO et outils de simulation, et les barrières au transfert vers des systèmes de réalité virtuelle sont également décrits. Il est apparu pertinent d'utiliser le Building Information Model (BIM) de plus en plus utilisé parmi les acteurs de l’architecture, ingénierie et construction (AIC). Puis nous avons poursuivi par l’évaluation des tendances actuelles en matière de représentation de données thermiques issues de simulation dans un EV, par la création de méthode de transfert de données de sorte à les intégrer au flux de travail. Après un état de l’art sur la simulation thermique et une évaluation des travaux connexes, nous décrivons l'application, la méthode et les outils pour parvenir à nos objectifs. Une proposition de procédé de transfert de données et de présentation de données en EV est formulée et évaluée. Le flux d’échanges de données s’effectue en trois phases, de sorte à optimiser les passages entre la CAO, le calcul thermique et la réalité virtuelle. La représentation des données dans l’EV est réalisée grâce à une visualisation immersive et interactive. Une expérimentation a été conduite de sorte à évaluer des sujets : Le scénario consistait en une visualisation interactive de données thermiques selon 4 modalités en environnement virtuel. L’interface développée pour l’interaction a été voulue intuitive et conviviale. L’application contient un modèle 3D réaliste du projet (salle Gunzo) dans deux configurations : état actuel et état rénové. Les données thermiques sont restituées selon plusieurs métaphores de représentation. L’expérimentation développe une approche qui associe au scénario de rénovation virtuelle une configuration matérielle/logicielle. Les résultats obtenus se concentrent sur la visualisation, l'interaction et le retour subjectif des utilisateurs. Quatre métaphores de visualisation sont testées et leur évaluation porte notamment sur deux critères : leurs capacités à restituer les résultats de simulation thermique ; le degré d’interaction et la perception de l’utilisateur des impacts de ses actions. L’évaluation subjective révèle les préférences des utilisateurs et montre que les métaphores de représentation ont une influence sur la précision et l’efficience de l’interprétation des données. Ces travaux montrent que les techniques de représentation et de visualisation de données de simulation ont un effet sur la pertinence de leur interprétation. La méthode décrite spécifie les modalités de transfert de la donnée depuis la phase conception jusqu’aux outils et systèmes de RV. Sa souplesse lui permet d’être transposée à tout type de projet (…)

The importance of energy efficiency as well as integration of advances in sustainable buildingdesign and VR technology have lead this research to focus on thermal simulation results visualized in avirtual environment (VE). The emphasis is on the representation of thermal building simulation (TBS)results and on the perception of thermal data simulated in a VE. The current application of the designprocess through energy efficiency in VR systems is limited mostly to building performance predictionsand design review, as the issue of the data formats and the workflow used for 3D modeling, thermalcalculation and VR visualization.Different applications and tools involved to represent TBS in VE are become the challenge ofthis work. Many 3D modeller, thermal simulation tools and VR tools are available and they are differ intheir function and platform. Issues of data format exchange, appropriate tools and equipments from thissituation require an interoperability solution that needs to be structured in a workflow method.Significances and barriers to integration design with CAD and TBS tools are also outlined in order totransfer the model to VR system. Therefore, the idea then is to use Building Information Model (BIM)extensively used in Architecture, Engineering and Construction (AEC) community. It then continued toevaluate the current trends for TBS representation in VE, to create data transfer method, and tointegrate them in the workflow. After a review in thermal simulation and an evaluation of related works,we specify the application, method and tools for our objectives.An application of a method of data transfer and presentation of data in VE are formulated andtested. This effort conduct using a specific data workflow which performed the data transfer through 3phases. This relies on the smooth exchange of data workflow between CAD tools, thermal calculationtools and VR tools. Presentation of data in VE is conducted through immersive visualization andintuitive interaction. An experiment scenario of a thermal simulation in VR system was created tointeractively visualize the results in the immersion room and tested by some respondents. The systeminclude with friendly interface for interaction. It presents a realistic 3D model of the project (Gunzoroom) in existing condition and renovated version, and their TBS results visualized in somevisualization metaphor. In the experiment, the method which bundled in an application brings togetherwithin a couple of virtual scenario and a software/hardware solution. The obtained results concentrateon visualization, interaction and its feedback. Some visualization metaphor are tested and evaluated topresent more informative TBS results where the user can interact and perceive the impact of theiraction.Evaluation of the application prototype showed various levels of user satisfaction, andimprovements in the accuracy and efficiency of data interpretation. The research has demonstrated it ispossible to improve the representation and interpretation of building performance data, particularly TBSresults using visualization techniques. Using specific method, the data flow that starts from the designprocess is completely and accurately channelled to the VR system. The method can be used with anykind of construction project and, being a flexible application, accepts new data when necessary,allowing for a comparison between the planned and the constructed.