Matériaux naturels et design génératif : révéler les potentiels de la pierre par la simulation

L’architecture traditionnelle française fut majoritairement construite en pierre naturelle locale, mais ce n’est plus le cas, et ce, depuis la révolution industrielle. L’architecture moderne a suivi la logique d’industrialisation de la construction, ce qui a marginalisé les savoir-faire régionaux et nationaux.

La pierre, un matériau de construction ancien, a su s’actualiser au gré des révolutions majeures de notre société. Sa diversité, son extraction, sa mise en œuvre, sa standardisation, sa taille… autant d’adaptations technologiques au regard des évolutions de l’histoire des techniques.

La révolution numérique qui s’intensifie dans les récents développements de l’intelligence artificielle générative (IAG) n’a de prime abord pas grand-chose à voir avec la pierre et il semble que cela ne va pas contribuer à son retour.

En effet, malgré un léger regain d’intérêt et des efforts poussés par certains architectes, la pierre n’a jamais vraiment fait l’unanimité ces dernières années. La question que l’on peut se poser aujourd’hui est la suivante : la pierre peut-elle profiter de l’IA et des algorithmes génératifs pour refaire surface dans l’architecture contemporaine ?

Architecture bioclimatique et vernaculaire

L’étude de l’architecture vernaculaire française, étant bien documentée¹ , permet de définir des principes de conception qui restent utilisables dans des projets contemporains. Par cette étude, on découvre que le vernaculaire se base à la fois sur des principes bioclimatiques (figure 1² ) et sur une logique constructive rationnelle. Elle offre une perception de l’architecture conçue dans un milieu local pour l’homme et fait par l’homme.

À l’inverse des principes d’isolation dogmatique (figure 2), l’utilisation du milieu naturel permet de bénéficier de l’entièreté des avantages procurés par la nature (soleil, matériaux, etc). Une architecture localisée et sensée à l’image du vernaculaire est possible aujourd’hui, et ce, de manière bien plus efficiente, puisque nous avons des données plus précises, des modèles de simulations plus réalistes et une puissance numérique plus développée. De plus, ces avancées numériques nous permettent d’approfondir la compréhension des liens entre principes d’architecture vernaculaire, climats et matériaux. À l’image de la pierre qui représente une ressource locale et pertinente encore aujourd’hui. Cette approche fait référence aux fondamentaux de l’architecture, met à l’honneur le patrimoine et la construction à l’aide des matériaux naturels et biosourcés.

Efficacité énergétique

Aujourd’hui, la question de l’efficacité thermique se pose plus que jamais. Les ressources se raréfiant et l’utilisation d’énergies fossiles produisant un impact carbone trop important, l’usage des énergies extractivistes délocalisées est à limiter. Dans un tel contexte, l’architecture vernaculaire prend tout son sens. Elle est basée sur des principes bioclimatiques et elle permet la captation passive des énergies renouvelables locales. Néanmoins, l’étude de l’efficacité énergétique se fait en général très tardivement dans la définition du projet. Cela mène à des solutions techniques ad hoc afin de concilier la réglementation et le parti architectural. En effet, l’architecture se doit d’être efficace afin de rester en deçà des valeurs de consommation préconisées par ces réglementations énergétiques. Pourtant, dès le début du processus de conception, l’architecte peut s’orienter vers des propositions architecturales qui répondent aux questions énergétiques.

Processus de conception architecturale

En effet, l’impact d’une décision prise tôt dans le processus de conception est bien plus important que celui des décisions faites lors des phases d’étude ultérieures. Dans le but de produire une architecture durable et responsable, intégrer dans le processus de conception des principes vernaculaires (étudiés et définis) qui seront ajustés par des simulations bioclimatiques est la voie étudiée par nos recherches sur la conception avec la pierre. Le but est d’évaluer l’influence de l’intégration des simulations bioclimatiques dans la conception de bâtiment en pierre suivant les principes vernaculaires. Cette étude est notamment abordée à l’aide des plugins LadybugTools (Roudsari & Pak, 2022) utilisables dans Rhino© et Grasshopper© (figure 3). Cela permet de mesurer les impacts et d’orienter les décisions vers un choix en faveur du confort humain veillant à atteindre une certaine efficacité énergétique. Pour autant, derrière le terme de simulation se cache un ensemble complexe de modèles bioclimatiques. Les algorithmes qui les traduisent reposent sur deux types de données : climatiques et matérielles. Si les premières sont aujourd’hui largement standardisées et accessibles, les secondes dépendent des informations fournies par les industriels. Ainsi, les matériaux issus de procédés industriels disposent généralement de données précises, car leurs propriétés sont facilement mesurables lors de leur fabrication, tandis que les matériaux naturels, comme la pierre, restent plus difficiles à caractériser avec la même rigueur. L’incomplétude des données de modélisation des propriétés des matériaux rend les comparaisons difficiles.

Simulation énergétique et conception architecturale

Concernant les modèles, ils se rapprochent des comportements réels observés, mais sont intrinsèquement “faux” afin de fonctionner facilement : des approximations sont faites et des paramètres peuvent être négligés. En effet, certains modèles négligent les aspects qui, s’ils étaient intégrés, permettraient de prendre en compte les avantages des matériaux naturels tels que la pierre. Les simulations thermiques qui ne prennent pas en compte les éléments extérieurs comme l’humidité, le rayonnement solaire ou le vent, ne traduisent pas la réalité du milieu de construction. Or, la pierre, à l’instar d’autres matériaux naturels, se distingue par une capacité hygroscopique et une forte inertie thermique.

C’est là qu’entrent en jeu les simulations thermiques dynamiques (STD). Elles sont plus proches des conditions réelles prenant en compte l’ensemble des éléments naturels dans l’équation (dont l’humidité et le rayonnement solaire). Les capacités thermiques des pierres pourraient alors être entièrement mises en avant et vérifiées grâce à des techniques scientifiques. Si ceci est intégré de manière simplifiée dans des méthodes de conception paramétriques, le design génératif pourrait effectivement aider les matériaux naturels à montrer l’ensemble des avantages qu’ils offrent. Les données nécessaires existent déjà pour la plupart. Par ailleurs, des simulations hygrothermiques permettent de mieux comprendre les transferts de température et d’humidité au niveau d’une paroi en pierre. Plusieurs logiciels permettent ces calculs comme WUFI®, COMSOL® Multiphysics ou encore DELPHIN®. Dans ce domaine, il manque encore des recherches sur les différentes pierres et leurs propriétés physiques et chimiques.

Une recherche sur le sujet a mené à une thèse en collaboration avec l’agence Architecture Studio au laboratoire de recherche MAACC. Cette thèse présente une méthode de processus de conception par “exploration numérique de solutions architecturales fondée sur des critères de performances environnementales” (ENAPE). Le processus de conception proposé de cette méthode est présenté dans la figure 4.

Optimisation assouplie et améliorée grâce à l’IA

Simulations, modèles et données numériques ne sont pas assez enseignés dans les écoles d’architecture. Cette méthode nouvelle n’est alors pas encore implantée dans la formation des futurs architectes.

Ce que l’on appelle en 2025 l’IA est une forme d’intelligence issue d’un apprentissage profond à partir de données. Les modalités du numérique de type simulations bioclimatiques ne relèvent pas directement de l’IA mais elles pourraient bénéficier des progrès de l’IA pour assouplir le processus de conception (figure 5).

Dans la nébuleuse actuelle de l’IA, il y a les intelligences artificielles génératives (IAG). Celles fondées sur des agents conversationnels basés sur de larges modèles de langage peuvent “apprendre” les résultats de simulation et approximer des réponses pour des cas similaires. L’IAG donnerait une réponse moins précise, mais de manière beaucoup plus rapide et flexible que ce qui est possible avec les logiciels de simulation bioclimatique actuelle. De plus, les interfaces textuelles tendent à simplifier l’interface utilisateur et rendre ces modèles plus accessibles aux étudiants en école d’architecture et, à fortiori, aux architectes. Leurs choix les plus précoces pourraient être testés grâce à une simple question à une IAG intégrée dans le logiciel de modélisation géométrique. Ce n’est pas encore un dispositif intégré, mais les étudiants curieux utilisent déjà les IAG pour apprendre des logiciels qui restent en dehors de leur cursus.

Les matériaux naturels à l’avenir en France

Les matériaux naturels pourront donc être utilisés à leur plein potentiel et l’architecture produite sera en lien avec son environnement et moins énergivore. Les outils numériques, dont le spectre va de l’IAG aux simulations en passant par les logiciels de modélisation, nous aident à comprendre et exploiter les données existantes. De plus, le potentiel de la conception par simulations énergétiques prend une autre ampleur avec les algorithmes d’optimisation associés à des systèmes de design génératif. La révolution informatique a apporté la mesure et le stockage de données, l’IA et les outils génératifs doivent rester des lecteurs optimisés de ces données. Affiliés à l’architecture bioclimatique, les algorithmes peuvent permettre de réaliser des simulations à partir de ces données et de proposer la meilleure solution selon des critères précis.

Par ailleurs, l’intégration des outils numériques au service de l’architecture bioclimatique s’intensifie depuis quelques années. Malgré une diffusion encore partielle dans les écoles, cette démarche se consolide dans plusieurs agences et tend à se généraliser.

De plus, le regain d’intérêt pour la pierre et les principes bioclimatiques est démontré par certains architectes. La proposition pour un concours d’immeuble de logement à Paris faite par Boris Bouchet Architectes et l’Atelier Julien Boidot en témoigne (figure 6).

Encore en développement, cette dynamique laisse entrevoir une conception de l’architecture plus durable, fondée sur les ressources locales et attentive aux savoirs constructifs vernaculaires.

Bibliographie :

• DUCLOS-PRÉVET, Claire, 2024. La modélisation de processus d’exploration numérique en architecture : design génératif, performance et optimisation. Paris : Conservatoire national des arts et métiers.
• GWYN, I. Merion- Jones, 1979. La maison traditionnelle. Bibliographie de l’architecture vernaculaire en France [en ligne]. Persée - Portail des revues scientifiques en SHS.
• LECHNER, Norbert, 2014. Heating, Cooling, Lighting: Sustainable Design Methods for Architects. John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-58242-8.
• MAISONS PAYSANNES DE FRANCE. Amélioration thermique du Bâti Ancien: https://maisons-paysannes.org/restaurer-et-construire/fiches-conseils/amelioration-thermique-bati-ancien/