LIENS ENTRE FORMES URBAINES ET CLIMAT

Conférence n°3 « Climat et aménagement » : Formes urbaines et climat Toulouse le 23 Janvier 2015

LIENS ENTRE FORMES URBAINES

ET CLIMAT

1. Dans les transformations d’un centre ancien : Nantes 1680 - 1945

2. Dans la conception d’une ville nouvelle : Ecocité de Zénata

Mohamed Benzerzour

Directeur de projets, Franck Boutté Consultants

Maitre assistant des écoles d’architecture


de NantesThèse de Doctorat

Discipline : Mécanique, Thermique et Génie Civil

Spécialité : Sciences pour l’ingénieur, option Architecture

Université de Nantes

Présentée et soutenue publiquement

Le 15 octobre 2004

à l’École d’Architecture

« Transformations urbaines

et variations du

microclimat :

Analyse du centre ancien de Nantes entre

1680 et 1945 et proposition d’un

indicateur « morpho-climatique »

Conférence n°3 « Climat et aménagement » : Formes urbaines et climat Mohamed Benzerzour Toulouse le 23 Janvier 2015


Mise en relation de la forme urbaine et du climat à l’échelle des ensembles bâtis.

Forme urbaine Climat

-Quels sont les éléments de la forme urbaine qui interviennent dans la régulation du

microclimat urbain ?

- Comment, à travers une connaissance du cadre bâti, pouvons nous anticiper les

variations du microclimat ?

Transformations urbaines et variations du microclimat :

Application au centre ancien de Nantes et proposition d’un indicateur « morpho-climatique »

Conférence n°3 « Climat et aménagement » : Formes urbaines et climat Toulouse le 23 Janvier 2015 Mohamed Benzerzour

1. Adaptation

spatiale

Quatre phases et quatre modes d’intervention sur le climat local

- Réduction de la multiplicité des interventions à deux éléments de la forme urbaine : « la forme du vide

urbain » et « état et matériaux de surfaces »

- Approche différentielle de la transformation ….

3. Nouvelles formes

urbaines

« Brasilia »

2. Ajustements

morphologiques

Rues de Paris

4. Des formes

« intermédiaires »

« Économie des formes »

I. Les modes d’intervention sur la ville en lien avec le climat


- Régulation de l’ouverture des rues et cours

- Interdiction des saillies

- Alignement des rues

- Agrandissement des cours intérieures

- Réduction des hauteurs de bâtiment

Alignement des rues au XVIIIe siècle

- Pavage des rues

- Comblement des fossés

- Enterrement des réseaux

- Canalisation de l’Erdre

- Comblements partiels de l’Erdre et de la Loire

- Interventions sur le sol urbain

Le comblement de l’Erdre 1944

1. Les transformations du centre ancien de Nantes



- Les iconographies

Avant 1777 Fin XVIIe après 1779 « 1866 »

- Les plans du bâti

Fin XVIIe « 1835 » « 1880 » 1945 à aujourd’hui



Dé-densification par les percées

[Darin 1987]

Huateurs et densités maximums admis par les réglements

de 1935 et 1943

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

18,00

20,00

industrielle dense moyenne extension rurale

Types de zones

Hau

teu

r (m

)

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

Den

sit

é b

âti

e (

%)

Hmax en

1935

Hmax en

1943

Densité

max en

1935Densité

max en

1943

Dé-densification prescrite par les règlements

Après la grande percée

[Jouanne 1894]

Avant la grande percée

[Jouanne 1838]

- Évolution des densités bâties



Régulation de la taille des fenêtres

(règlement de 1943)

Ordonnances urbaines (Pl. St

Pierre 1868)

Substitution des pans de bois par la pierre

- Modification des matériaux de surface (murs et ouvertures

vitrées)



« Le concept de canyon urbain » [Oke 1987]

Modélisation climatologique des interactions forme urbaine - climat

Les échelles climatiques [Oke1987]

Modélisation des échanges surface – atmosphère [Oke 1987]

Q*+QF = Q

H+Q

E+ Q

S+ Q

A

II. Éléments de quantification


Modélisation par discrétisation

spatiale

« SOLENE » [Groleau 2003]

« modèle thermo-radiatif »

« E.H.U » [Berthier 1999]

« modèle hydrologique »

Réduction de la complexité des

phénomènes physiques

Modélisation paramétrique

(2d –3d)

« SM2-U(3d) » [Dupont 2003]

Réduction de la complexité de la

forme urbaine

Modélisation numériques



-Prise en compte de la hauteur des espaces urbains

(canyon)

- Simplicité des données d’entrée et la validation

relative du modèle.

- Disponibilité et aide à l’usage du modèle

Le modèle de rue dans TEB [masson

2000]

TEB (urbain) + ISBA (rural)

- Le modèle paramétrique T.E.B1 (Town Energy Budget) comme modèle de simulation

Calcul des flux d’énergie moyens:

Chaleur latente - Chaleur sensible - Chaleur stockée - Le

flux net

Calcul des paramètres microclimatiques :

Température d’air et de surface - Vitesse du vent -

Humidité spécifique

(1) [Masson 2000]; [Masson et al. 2002]; [Lemonsu et al. 2003]



- Pavage des rues

- Modification des

murs en pan de

bois en des murs

en pierre

- surhaussement

des bâtiments

-Densification

des îlots

-Alignement des

parois et des

rues

-Comblement

des fossés

-Enterrement des

réseaux EU et

EP.

- Alignement

des rues

- Création des

percées

- Pavage des

cours intérieurs.

-Comblement de

l’Erdre

-Comblement de

la Loire

-Introduction

d’isolants (en

toiture et en

parois)

Phase 01 Phase 02 Phase 03 Phase 04

- Densité faible

- Bâtiments bas

(10m)

- Rues étroites

- Murs à

colombages

- Sol mal pavé

- Cœurs d’îlots en

jardin

- Fossés en eau

- Erdre et Loire en

eau

- Cous intérieurs

non pavés

- maisons

faiblement

chauffées

- Eau drainée en

surface

Variations du microclimat urbain ?

Param

ètr

es c

lim

atiques

État 01 « Fin

XVIIe »

État 02

« 1756 »

État 03

« 1835 »

État 04

« 1880 »

État 05

« 1945 … »

- Les états représentatifs de la transformation du centre de Nantes

III. Analyse des effets des transformations du centre de Nantes


Defer 1716 Cacault 1756

Lerouge 1766

Demoget 1877

Les plans de voirie

Sources et états représentatifs des transformations urbaines



Exemple: reconstitution

numérique du plan de 1756

- Reconstitution numérique

- Un ensemble d’hypothèses

-Hauteurs du bâti

- Fraction vitrée des

murs

- Densités

A partir de

témoignages

A partir de la littérature

spécialisée

-Propriétés physiques

des surfaces

- Épaisseur des murs

Reconstitutions des différents états



Reconstitution avec AUTOCAD Superposition des plans

Calculs



Paramètres

Unité

Etat 01

Etat 02

Etat 03

Phase 04

Etat 05

Paramètres géométriques

Fraction bâtie

Hauteur des bâtiments

Prospect du bâti

H/L : prospect des rues

Longueur de rugosité

-

m

-

-

m

0.318

10

1.25

1.745

1.0

0.481

15

1.5

2.62

1.5

0.71

21

1.41

3.08

2.1

0.67

19

1.187

2.22

1.9

0.64

19

1.187

2.22

1.9

Paramètres radiatifs

Albédo du toit

Albédo des murs

Albédo du sol

Emissivité des toits

Emissivité des murs

Emissivité du sol

0.10

0.20

0.15

0.92

0,88

0.92

0.10

0.25

0.11

0.92

0.85

0.95

0.10

0.25

0.11

0.92

0.85

0.95

0.10

0.25

0.11

0.92

0.85

0.95

0.10

0.25

0.08

0.92

0.85

0.95

Paramètres thermiques

Matériaux du toit

Matériaux murs

Matériaux sol

ardoise

pan + terre

sol compact

ardoise

pierre

pavé

ardoise

pierre

pavé

ardoise

pierre

pavé

Ardoise + isol

pierre + isol

bitume

Paramètres anthropogéniques

Température intérieure

Température du sol profond

Fraction d’eau sur le sol

°C

°C

10

19

0.15

10

19

0.2

10

19

0.00

19

19

0.00

19

19

0.00



- Évolution des bilans d’énergie

Variation du ratio Qh/Q* diurne selon les

saisons

10

20

30

40

50

60

70

1 2 3 4 5

Etats de surface successifs

Po

urc

en

tag

e d

e f

lux

(%

)

Moyen

Hiver

Printemps

Ete

Automne

Variation du ratio Qe/Q* diurne selon les

saisons

5

15

25

35

45

1 2 3 4 5


Po

urc

en

tag

e d

e f

lux

(%

)

Moyen

Hiver

Printemps

Ete

Automne

Evolution du ratio Qs/Q* diurne selon les

saisons

5

10

15

20

25

30

35

40

1 2 3 4 5


Po

urc

en

tag

e d

e f

lux (

%)

Moyen

Hiver

Printemps

Ete

Automne

-Diminution régulière du flux de chaleur latente

- Augmentation du flux de chaleur sensible

- Augmentation du flux stocké



Les paramètres microclimatiques : Températures

Variation de la température à la surface du sol

des rues en été

12

14

16

18

20

22

24

26

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Heures

Te

mp

éra

ture

(°C

)

ETAT 01

ETAT 02

ETAT 03

ETAT 04

ETAT 05

Variation de la température à la surface du sol

des rues en hiver

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 3 5 7 9

11

13

15

17

19

21

23

25

Heures

Te

mp

éra

ture

(°C

)

ETAT 01

ETAT 02

ETAT 03

ETAT 04

ETAT 05

Températures du sol

Variation de la température moyenne des rues

en hiver

5

6

7

8

9

10

11

1 3 5 7 9

11

13

15

17

19

21

23

25

Heures

Te

mp

éra

ture

(°C

)

ETAT 01

ETAT 02

ETAT 03

ETAT 04

ETAT 05

Variation de la température moyenne des rues en été

13,5

14,5

15,5

16,5

17,5

18,5

19,5

20,5

21,5

22,5

23,5

1 3 5 7 9

11

13

15

17

19

21

23

25

Heures

Tem

péra

ture

en

°C

ETAT 01

ETAT 02

ETAT 03

ETAT 04

ETAT 05

Températures d’air



0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Heures

Vari

ati

on

(%

)

Variation (en%) de l’humidité spécifique de l’air après pavage des

rues (le 22 juin)

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Heures

Vari

ati

on

(%

)

Évolution (en%) de l’humidité spécifique des rues après

l’enterrement des réseaux (le 22 juin)

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

1,4

1 3 5 7 9

11

13

15

17

19

21

23

25

Heures

Vit

esse (

m/s

)

ETAT 01

ETAT 03

ETAT 04

Variation de la vitesse du vent des les rues après

rétrécissement (phase 3) puis élargissement (phase 4) des

rues

- Les paramètres microclimatiques : Vent et

humidité spécifique



- Résultats

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Phase 01 Phase 02 Phase 03 Phase 04

Phases de transformation

U q Ts Ta

Évaluation de la variation des paramètres micocimatiques

U (vent); q (Humidité); Ts et Ta (températures)

Représentation de l’évolution des ratios de flux de chaleur:

Qs (stockée); Qh (sensible); Qe (latente), Q*(flux net)



Histoire

Savoir-faire morphologique

Approche différentielle de l’ouverture du vide

et la minéralisation des surfaces

Physique

Paramétrisation morphologique

Paramétrisation des échanges surface urbaine –

climat (le canyon urbain)

Vers la réduction « morpho – climatique » de la forme urbaine

IV. Proposition d’un indicateur morpho-climatique


« Morphométrie » du construit [Oke 1999]

- Indicateurs numériques

- Des indicateurs existants

- Vers un indicateur explicite, mesurable et

applicable à plusieurs échelles spatiales

Townscope [Teller 2001]

- Caractérisation graphique et numérique

- Rapport de masse

- Profondeur de vue

- Compacité

- Étalement

- Excentricité



- Quelques limites au modèle

Variation des orientations d'une cinquantaine de rues autour

du centre ancien de Nantes

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0-29 Deg

30-59 Deg

60-89 Deg

90-119 Deg

120-150 Deg

150-180 Deg

nombre de rues

- Équiprobabilité de l’orientation des rues?

Orientation des rues en périphérie du centre de Nantes

Température du sol selon l’orientation des rues [Masson et al. 2002]

- Rue canyon?

Une rue en périphérie du centre de Nantes

Fragments bâtis de Nantes



H

D

β

α

Axe v

ertic

al d

u

poin

t analy

sé

Choix du pas angulaire selon a complexité de l’environnement

Le concept de canyon selon une analyse polaire

- « L’ouverture directionnelle » du vide urbain comme indicateur

Exemple d’application à des espaces urbains

Ouverture directionnelle de la place Graslin, la place Royale et la rue Crebillon

5,00 15,00 25,00 35,00 45,00 55,00 65,00 75,00

0 10

20 30

40 50

60 70

80

90

100

110 120

130 140

150 160

170 180

190 200 210

220 230

240 250

260

270

280

290 300

310 320

330 340 350

Place Graslin Place Royale Rue Crebillon Projection sphérique équidistante



Éléments d’interprétation

Ensoleillement

Vue du ciel

Partie visible de la

voûte céleste

Angle

d’ouverture

Voûte céleste

Portion visible du ciel selon un profil d’ouverture

Vent



2,94

0,99

0,81

4,55

1,54

1,020,951,192,44

2,13

0,79

3,45

4,76

2,50

2,08

2,33

3,851,181,473,03

0,22

0,19

0,22

57,70

0,570,62

0,96

2,94

1,70

1,190,80

0,75

0,86

0,85

0,56

0,48

Analyse d’un parcours

Dispersion potentielle de la pollution dans les rues de cinq fragments différents (échelle de représentation 30° à 90°)

30 40 50 60 70 80 90

0 10

20 30

40 50

60 70

80

90

100

110 120

130 140

150 160

170 180

190 200 210

220 230

240 250

260

270

280

290 300

310 320

330 340 350

En damier En étoile Maisons en bande Maisons isolées tracé aléatoire

Comparaison des

ensembles bâtis

- Échelles d’application



Ouverture directionnelle de de la place de Bouffay et de la place Saint Pierre dans le centre ancien de Nantes (échelle 30° à 80°)

30,00 35,00 40,00 45,00 50,00 55,00 60,00 65,00 70,00 75,00 80,00

0 10

20 30

40 50

60 70

80

90

100

110 120

130 140

150 160

170 180

190 200 210

220 230

240 250

260

270

280

290 300

310 320

330 340 350

Place du Bouffay Place St Pierre

Ouverture directionnelle de la rue Crebillon et de la rue de Strasbourg dans le centre de Nantes

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00

0 10

20 30

40 50

60 70

80

90

100

110 120

130 140

150 160

170 180

190 200 210

220 230

240 250

260

270

280

290 300

310 320

330 340 350

Rue de Strasbourg Rue Crébillon

Ouverture directionnelle de la place Graslin et la place Royale à Nantes (échelle de représentation 35° à 65°)

35,00

40,00

45,00 50,00

55,00 60,00

65,00 1

2 3

4 5

6 7

8

9

10

11

12 13

14 15

16 17

18 19

20 21 22

23 24

25 26

27

28

29

30 31

32 33

34 35 36

Place Graslin Place Royale

Analyse des espaces urbains



Ecocité de Zenata…

Une forme urbaine conçue avec le climat

Agence Franck Boutté Consultants

www.franck-boutte.com

43 bis rue d’Hautpoul 75019 Paris

T 01 42 02 50 80 / [email protected]

Concevoir la forme urbaine avec le Climat … comment ?

Ville nouvelle de Zenata (Maroc)

MOA : SAZ

MOEU : Reichen & Robert & Associés

AMOEU : Franck Boutté Consultants


Une ville nouvelle aux standards internationaux ?


REPRODUIRE DES MODÈLES ?



Accès au soleil et à l’ombre

Accès à l’air

Accès à la lumière

FORME

URBAINE &

CLIMAT(S)

CONCEVOIR LA VILLE AVEC LE CLIMAT … POURQUOI ?

Mohamed Benzerzour


Accès au soleil et à l’ombre

Accès à l’air

Accès à la lumière

CONFORT et SANTE

SOBRIETE ENERGETIQUE

DEVELOPPEMENT FILLIERES

FORME

URBAINE &

CLIMAT(S)

Local et adapté

Consommer moins – produire plus

Filières du bâtiment

Mohamed Benzerzour

CONCEVOIR LA VILLE AVEC LE CLIMAT … POURQUOI ?


DU CONTEXTE ... À LA CONCEPTION

Mohamed Benzerzour

CONNAITRE LE CIMAT

- L’épaisseur du mur comme

protection solaire

- Un hiver peu froid et un mode

constructif sans isolations

- Des amplitudes de températures

favorables aux effets d’inertie

- Des vents favorables à la ventilation et

un climat assez humide

- Des rayonnements solaires

importants et des ombres attractives

CONNAITRE LE CIMAT

Moyenne estivale (juin-septembre)

Moyenne hivernale (décembre-février)

ÉTÉ: la ville profite des vents rafraichissants venus de l’océan

HIVER: le relief de l’hinterland protège la ville des vents froids

CONNAITRE LE CIMAT


FIGURES DE CONCEPTION … échelle climatique locale

LA TRAME AERAULIQUE



FIGURES DE CONCEPTION ARCHITECTURALE …

OMBRES POSITIVES, VENTILATION NATURELLE, PATIOS DE FRAICHEUR, TOIT HABITE

Mohamed Benzerzour

VERS UNE ECOLOGIE DU SUD /

PRESCRIPTIONS POUR UNE ARCHITECTURE « ORDINAIRE » PASSIVE

Swis721 Cn BT



PRESCRIPTIONS POUR UNE ARCHITECTURE « ORDINAIRE » PASSIVE

LUMIERE NATURELLE

FLJ : 1 à Paris = 2 à Casablanca



VILLE NOUVELLE DE ZENATA / A L’ECHELLE DES LIEUX DE VIE

DES STRATEGIES ARCHITECTURALES LOW-TECH, NO-COST

Mohamed Benzerzour



INVENTER UN REFERENTIEL ENDOGENE

Culture constructive et savoir-faire locaux

Mohamed Benzerzour

Documents

LIENS ENTRE FORMES URBAINES ET CLIMAT