Bio-inspiration et enveloppe du bâtiment : proposition d’une méthode de conception et application expérimentale

Bioinspiration and building envelope : proposition of a design method and experimental application

• Auteur / Autrice : Tessa Hubert
• Direction : Denis Bruneau, Fabienne Aujard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 04/07/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Philippe Liveneau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tingting Vogt Wu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christian Inard, Jerôme Casas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation des données du bâtiment

Conception et construction

Gros oeuvre (construction)

Mots clés libres

Enveloppe du bâtiment

Conception

Bio-Inspiration

Expérimentation

Modélisation

Building envelope

Conception

Bioinspiration

Experimentation

Modeling

Résumé

Les travaux de thèse proposés visent au développement d'un processus de conception d’enveloppes du bâtiment inspirées du vivant, appuyé par une démarche expérimentale. Pour cela, différentes étapes clés de la conception bio-inspirée sont abordées. En premier lieu, l’exploration d’un périmètre défini du vivant analogue aux enveloppes du bâtiment, notamment les enveloppes biologiques et constructions animales, met en avant des caractéristiques et stratégies pertinentes au regard de l’enveloppe et de ses fonctions souhaitées. Des ateliers réunissant divers acteurs du bâtiment - architectes, ingénieurs – amènent à l’idéation de concepts variés pour l’enveloppe. L’un des principes émis, basé sur l’hybridation de principes thermorégulateurs de deux espèces, est sélectionné comme cas d’étude. L'utilisation d’outils de conception paramétrique permet alors le transfert de ce principe vers un concept technologique d’enveloppe déformable et déployable, autorisant une gestion adaptative des transferts d’air, de chaleur et de lumière à travers la paroi. Le prototypage mène ensuite à l'évaluation technologique et expérimentale du système à plusieurs échelles. Un banc d'essai est conçu pour réaliser des expérimentations à une échelle représentative en conditions climatiques réelles. Les mesures, couplées à des modèles de type boite-grise, offrent de premiers éléments de caractérisation du concept et l’évaluation de son impact global sur un bâtiment. Ainsi, l’objectif d’une démarche utilisable et appropriable par différents acteurs du bâtiment sans nécessité de connaissances préalables en biologie est atteint, tout en promouvant l’interdisciplinarité pour la génération de concepts ou produits bio-inspirés innovants.

This PhD work aims at developing a design process of building envelopes inspired by living organisms using an experimental approach. For this purpose, different key steps of the bio-inspired design process are addressed. First, the exploration of a defined perimeter of living organism, analogous to building envelopes, i.e., biological envelopes and animal constructs, highlights relevant features and strategies for the envelope and its required functions. Workshops gathering building stakeholders - architects, engineers - lead to the development of various envelope principles. One of them, based on a hybridization of thermoregulatory principles from two species, is selected as a case study. Using parametric design tools, the principle is transferred into a technological concept of a deformable and deployable adaptive envelope, managing air, heat and light transfers through the wall. The prototyping of such a system then lead to its technological and experimental evaluation at different scales. A test bench is designed to perform 1:1 scale experiments under real climatic conditions. The measurements, coupled with grey box models, offer first elements towards its characterization and the evaluation of its global impact on a building. The objective of an approach that can be used and appropriated by different building actors without requiring prior knowledge in biology is achieved, while promoting interdisciplinarity for the generation of innovative bio-inspired concepts or products.