Thèse (M. Arch. )--Université Laval, 1998. / Bibliogr.: f. [182]-192. Publié aussi en version électronique.

Thèse (M. Sc.)--Université Laval, 2007. / Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thesis--Tekniska högskolan, Stockholm. / Extra t.p. with thesis statement and errata slip inserted. Includes bibliographical references (leaves 68-72 (3d group)).

Thesis--Tekniska högskolan, Stockholm. / Extra t.p. with thesis statement and errata slip inserted. Includes bibliographical references (leaves 68-72 (3d group)).

Ce mémoire de recherche s'intéresse à concevoir l'architecture en milieu nordique, en abordant la question de savoir comment habiter dans un environnement climatique froid et extrême. En effet, les flux naturels tels que le vent, la neige et la glace créent des conditions de confort indésirables pendant la saison froide. Cette recherche prend donc l'hypothèse d'intégrer le climat nordique hivernal dans tout son potentiel de recherche et de création de formes en explorant sa valeur poétique où le climat serait utilisé comme déclencheur d'inspiration formel. Ainsi, par l'expérimentation des flux climatiques de l’hiver, ce mémoire de recherche développe un processus de conception dans le but de créer de nouvelles formes architecturales. La méthode développée intitulée le « processus d'habitabilité de la forme par le climat » a pour objectif de valider l'habitabilité de ces nouvelles typologies climatiques, réalisées au travers d'étapes expérimentales successives au moyen d'une approche à la fois tactile et numérique, qui pourraient offrir diverses ambiances une fois transposées à l'échelle de l'architecture. En combinant différents éclairages, matériaux et échelles, des maquettes sont produites afin de visualiser la possible habitabilité des nouvelles formes générées. Celles-ci sont étudiées au travers d'explorations photographiques, où les images sont ensuite davantage contextualisées au moyen de collages numériques par l'insertion de personnages et d'un environnement extérieur. Ces résultats formels, spatiaux et ambiants ont ainsi inspiré le développement d'un projet d'architecture qui, appuyé d'images éloquentes, a pour but de servir à inspirer les architectes concepteurs à concevoir et à expérimenter leur projet en milieu nordique. Pour finir, le processus développé sert à encourager la création de nouvelles formes et ambiances architecturales adaptées au défi critique imposé par le climat et propose une nouvelle représentation de notre rapport à l'hiver et à l'architecture. / This research focuses on designing architecture in the undesirable conditions of northern climates by addressing the question of how to inhabit the Nordicity by conceptualizing with a cold climatic environment. Indeed, natural flows such as wind, snow and ice create undesirable comfort conditions during the cold season. This research therefore takes the hypothesis of integrating the northern climate into all its potential for research and creation of forms by exploring its poetic value, where the climate would be used as a trigger for inspiration. Thus, by experimenting with winter cold climate fluxes, this research thesis develops a design process with the aim of creating new architectural forms. The method that has been developed entitled the « process of habitability of form by climate » aims to validate the habitability of these new climatic typologies, carried out through successive experimental stages using both a tactile and a digital approach, which could offer various atmospheres once transposed to the scale of architecture. By combining different lighting, materials and scales, models are produced to visualize the possible habitability of the new shapes generated. These are studied through photographic explorations, where images are thereafter contextualized by means of digital collages through the insertion of characters and an external environment. These formal, spatial and ambient results have thus guided the development of an architectural project. Supported by eloquent rendering images, this project has the purpose of inspiring architects and to convince them to design and experiment their project with the cold climatic environment. Finally, the process developed serves to encourage the creation of new architectural forms and atmospheres adapted to the critical challenge imposed by the climate and proposes a new representation of our relationship to winter and architecture.

Au Nunavik, les conditions climatiques de froid extrême et sa situation géographique isolée imposent de nombreuses contraintes dans la construction et l'entretien des bâtiments. En plus d'être la cause de coûts élevés, ces contraintes limitent la planification de nouveaux bâtiments dans un contexte de surpopulation des résidences existantes et de crise du logement. Les 14 communautés inuites habitant le territoire ne sont pas connectées au réseau électrique approvisionnant le reste de la province. Elles dépendent donc de systèmes mécaniques alimentés au diesel pour leurs besoins énergétiques à hautes émissions de CO₂. Des modèles de base ont été conçus pour être érigés rapidement pendant les courtes saisons de chantier estivales par les organisations de construction locales. Les bâtiments résultants ne considèrent donc pas entièrement les particularités climatiques du site, mais dépendent plutôt des systèmes mécaniques pour le confort des habitants. Ce mémoire vise à utiliser une approche bioclimatique dans la conception afin d'accroître la résilience des bâtiments d'habitation au Nunavik tout en réduisant leur consommation énergétique. Une revue de littérature a permis de souligner trois principales caractéristiques morphologiques ayant un impact sur les charges thermiques des bâtiments dans un contexte de froid extrême : leur compacité, leur orientation et leur aérodynamisme. Ces trois variables ont été analysées de manière paramétrique à l'aide des outils de la suite Ladybug ainsi que Galapagos et Octopus. Un bâtiment de référence a été utilisé afin de comparer les résultats des simulations. Les résultats montrent que la compacité possède le plus grand potentiel d'améliorer la performance énergétique des bâtiments au Nunavik, suivi de l'aérodynamisme et enfin, de l'orientation. À partir de ces résultats, trois modèles de bâtiments ont été conçus afin de valider l'impact de l'approche bioclimatique sur la performance énergétique. Les résultats montrent que les trois bâtiments permettent de réduire considérablement les charges thermiques tout en augmentant les gains solaires annuels du bâtiment de référence. Le présent mémoire montre que l'approche bioclimatique utilisée dès les premières étapes de conception possède un véritable potentiel pour accroître la résilience des bâtiments d'habitation au Nunavik. / In Nunavik, extreme climatic conditions and remoteness of Inuit villages imply many constraints to the construction and maintenance of residential buildings. While being the cause of high costs, those constraints limit the planning of new buildings in a context of housing shortage. The 14 inuit communities living in the territory are not connected to the electric network supplying the rest of the province. They rely instead on high CO₂ emission diesel mechanical systems for their needs in energy. Basic models are designed to be fast constructed during the short construction periods in summer. The resulting buildings do not fully consider the site's climatic particularities, but rely instead on the mechanical systems to provide comfort to the inhabitants. This thesis aims to use a bioclimatic approach in the design process to increase the resilience of housing buildings in Nunavik while reducing their energy consumption. A literature review highlighted three principal shape characteristics having an impact on the heating loads of buildings in northern climates: compactness, orientation and aerodynamism. Those three variables have been parametrically analyzed with the Ladybug Tools, Galapagos and Octopus. A reference building, the J.2.2. model, was used to compare the results of the simulations. The results show that compactness has the higher potential to improve the energy performance of buildings in Nunavik, followed by aerodynamism and finally, orientation. From those results, three building models have been designed to validate the pertinence of a bioclimatic approach on the energy performance. The results show that the three buildings can reduce significantly the heating loads while increasing the solar gains annually in comparison to the reference building. This thesis show that the bioclimatic approach used in the first design phase has a true potential to increase the resilience of housing buildings in Nunavik.

Cette recherche propose l'analyse du comportement du vent autour d'obstacles en vue de démontrer le potentiel créateur du phénomène éolien et l'importance de son intégration en architecture. Les vitesses de l'écoulement autour des obstacles sont évaluées à l'aide d'un logiciel de simulation du vent (CFD - Computational Fluid Dynamics) afin de déterminer une morphologie tridimensionnelle illustrant I'« ombre du vent». La matérialisation du caractère intangible du facteur vent se traduit par le concept d'enveloppe éolienne. Les résultats présentés sous formes de graphiques et de fiches visuelles forment un outil de conception visant l'intégration de la notion d'aérodynamisme à l'architecture. / This research proposes the analysis of the behaviour of the wind around obstacles in order to show the creative potential of the wind phenomenon and the importance of its integration in architecture. The wind speeds of the flow around the obstacles are evaluated by using a numerical wind tunnel (CFD - Computational Fluid Dynamics) in order to determine a three-dimensional morphology illustrating the "wind shadow". The materialization of the results translates into the concept of wind envelope. The results are presented in graphs and visual illustrations and create a design tool aiming at the integration of the concept of aerodynamism to architecture.

Cette recherche vise à analyser les conditions thermiques dans une chambre de CHSLD. L'analyse est réalisée en utilisant la simulation informatique (logiciel Bsim 2000). Une zone unique est simulée avec une fenêtre opérable recréant la ventilation latérale qui engendre la situation la plus critique en terme de potentiel de refroidissement. La période de simulation est la journée la plus chaude de l'année identifiée par le fichier climatique pour la ville de Québec, soit le 5 juillet. Le meilleur potentiel de ventilation naturel identifié comme cas de référence est l'auvent double et différentes stratégies de refroidissement passif y sont appliquées pour trois superficies de vitrage orientées principalement au nord, au sud et à l'ouest en vue d'atteindre la zone de confort thermique pré-établie pour les résidents de CHSLD. Les meilleures situations sont identifiées et intégrées dans des recommandations finales visant le maintien de la fenêtre opérable dans une chambre de CHSLD malgré l'adaptabilité limitée des résidents et le climat nordique de l'implantation de cette étude.

Dans les pays tropicaux, comme le Vietnam, les gens vivent en permanence avec la chaleur et l'humidité, deux causes principales de conditions inconfortables. L'architecture traditionnelle vietnamienne a réduit les impacts négatifs du climat sur l'ambiance thermique à l'aide d'espaces ouverts tels des jardins, des cours intérieures et des puits de lumière. Toutefois, dans les maisons en milieu urbain, l'adaptation au climat a été minimisée à cause de leurs traits typologiques. Ces maisons, qui sont des habitations typiques de Hanoi depuis plusieurs décennies, sont étroites et profondes. De ces faits, pour les maisons de ville, en arriver à un design permettant d'obtenir à la fois le confort thermique et l'économie énergétique est toujours un défi pour l'architecte. Une bonne stratégie architecturale est donc particulièrement importante. Cette stratégie doit à la fois procurer une ambiance thermique intérieure confortable et minimiser l'utilisation d'appareils de climatisation, considérée comme une perte du point de vue énergétique. L'objectif principal de cette recherche est d'étudier l'influence de différentes stratégies architecturales sur la qualité de l'ambiance thermique dans la maison tube des nouveaux quartiers d'Hanoi. Cette étude a été réalisée à l'aide de simulations thermiques dynamiques avec le logiciel Derob-LTH. L'ensemble des résultats obtenus a permis de confirmer la plupart des hypothèses de recherche. Selon ces résultats, on peut conclure que les stratégies architecturales ont influencé l'ambiance thermique intérieure des maisons urbaines. De plus, on peut voir que certaines stratégies à faible coût et très simples à appliquer peuvent améliorer significativement l'ambiance thermique intérieure. Finalement, ce mémoire suggère une combinaison de stratégies architecturales pouvant augmenter significativement l'ambiance thermique intérieure des maisons urbaines.

Les configurations des enveloppes et des fenêtres des bâtiments nordiques doivent répondre aux exigences du bien-être photobiologique et psychologique des occupants par des relations positives efficaces avec la nature subarctique. Les enveloppes de bâtiments existant dans les climats (sub)arctiques du nord du Canada n'ont pas encore permis d'établir des connexions efficaces entre l'intérieur et l'extérieur afin d'aborder les relations positives entre les humains et la nature et le bien-être photobiologique et psychologique. Des connexions intérieures-extérieures efficaces indiquent une connectivité optimale de l'intérieur avec la nature subarctique extérieure répondant au bien-être des occupants et aux besoins énergétiques. Les relations positives des occupants avec la nature subarctique correspondent à des avantages maximums et des risques minimums des climats nordiques extrêmes pour le bien-être photobiologique-psychologique. L'objectif général de cette thèse est de favoriser les relations positives des occupants avec la nature subarctique au moyen de connexions efficaces entre l'intérieur et l'extérieur qui pourraient répondre aux facteurs de bien-être biophiliques et photobiologiques liés à la lumière du jour et aux photopériodes. Dans ce but, un modèle fondamental d'enveloppe de bâtiment adaptative à haute performance est développé comme une solution architecturale qui pourrait optimiser les connexions intérieur-extérieur et les principaux indicateurs biophiliques et photobiologiques. La thèse visait spécifiquement à articuler une approche photobiologique du design biophilique dans les climats nordiques extrêmes qui permet d'établir un cadre conceptuel et de design pour développer des enveloppes de bâtiments. La thèse visait également à identifier les lacunes des enveloppes de bâtiment existantes dans le Grand Nord du Canada ainsi que des systèmes d'enveloppes adaptatives existants en termes d'indicateurs biophysiques-photobiologiques. Les principaux éléments architecturaux des enveloppes adaptatives, notamment la configuration des fenêtres et les caractéristiques de surface des systèmes d'ombrage, en particulier la couleur et la réflectance, sont étudiés pour répondre aux besoins biophiles-photobiologiques des occupants du Nord. Les méthodologies de la thèse comprennent une revue de la littérature pour discuter des directives récentes de design biophilique, de l'éclairage photobiologique et des études de connectivité avec la nature par rapport aux climats subarctiques, en particulier la lumière du jour et les photopériodes. Des méthodes numériques et expérimentales ont été intégrées pour évaluer les performances biophiliques, d'éclairage photobiologique, thermiques et énergétiques des systèmes d'enveloppe pour une étude de cas d'un bureau open-plan dans le nord du Canada. Des méthodes expérimentales avec des modèles à l'échelle physique, des images à haute gamme dynamique et des techniques de post-traitement ont été utilisées pour capturer, calculer et visualiser les paramètres d'éclairage photobiologique. L'impact des caractéristiques des panneaux d'ombrage (SP) sur les performances d'éclairage photobiologique a été étudié par l'expérimentation d'environ 40 prototypes à l'échelle 1:50 et 23 prototypes à l'échelle 1:10 sous un ciel dégagé/couvert avec un éclairage naturel réel/artificiel. Des modèles numériques ont été développés pour évaluer les caractéristiques biophiques et thermiques/énergétiques des systèmes d'enveloppe. Les résultats de la thèse comprennent un cadre théorico-conceptuel du design photobiologique - biophilique qui identifie les relations positives des occupants avec la nature subarctique à travers les enveloppes. Des scénarios d'adaptation de l'éclairage photobiologique intégrés aux exigences thermiques ont été élaborés, qui permettent de répondre aux besoins photobiologiques horaires/saisonniers des occupants du Nord dans des bâtiments différents. Les lacunes des enveloppes à une peau typique du Nord du Canada et des enveloppes à plusieurs peaux avec des profondeurs d'espaces intermédiaires/cavités et des tailles de fenêtre différentes ont été spécifiquement évaluées en termes des indicateurs biophiliques, photobiologiques et thermiques. Un modèle fondamental d'enveloppes adaptatives à haute performance est proposé pour les bâtiments du Nord, qui comprend une taille de fenêtre optimale, un système d'ombrage dynamique coloré et isolé, et un système de buffer thermique constitué d'une peau extérieure en verre. Les performances d'éclairage photobiologique des configurations des SP, incluant la couleur, la réflectance, l'orientation, l'inclinaison, la densité, la taille, l'ouverture et la position à la fenêtre, ont été caractérisées. Les résultats des élévations expérimentales/numériques montrent que l'enveloppe adaptative proposée pourrait offrir des connexions intérieures-extérieures efficaces qui répondent aux besoins photobiologiques-psychologiques et aux exigences énergétiques des occupants du Nord. Les résultats de la thèse pourraient informer les architectes et les responsables politiques sur les possibilités que les enveloppes adaptatives et les cadres photobiologiques-biophiles offrent pour améliorer le bienêtre du public et l'efficacité énergétique dans les climats nordiques. Les principaux enjeux des futurs développements des bâtiments biophiliques adaptatifs dans les climats nordiques ont également été soulignés, notamment en matière d'analyses du cycle de vie et d'études socioculturelles. / Sub-Arctic building envelope configurations must address occupants' photobiological-psychological wellbeing through positive relationships with the outdoor sub-Arctic nature. Existing building envelopes in Northern Canada's (sub-)Arctic climates have not, yet, enabled efficient indoor-outdoor connections to address positive human-nature relationships and photobiological-psychological wellbeing. Efficient indoor-outdoor connections indicate optimum connectivity of indoors with Northern climates in terms of occupants' wellbeing and energy factors. Positive occupants' relationships with the sub-Arctic nature refer to maximum benefits and minimum risks of the extreme cold weather and strong photoperiod of Northern climates for photo-biological and psychological wellbeing. The general objective of this dissertation is to foster positive occupants' relationships with sub-Arctic nature by enabling efficient indoor-outdoor connections which could respond to biophilic and photobiological wellbeing factors related to daylighting and photoperiods. To this end, a fundamental model of adaptive high-performance building envelopes is developed as an architectural solution which could optimize indoor-outdoor connections and main biophilic and photobiological indicators. The dissertation specifically aimed at articulating a photobiological approach to biophilic design in extreme Northern climates which enables establishing a conceptual and design framework to develop building envelopes. The thesis also focused on identifying the shortcomings of existing Canadian Northern building envelopes as well as existing adaptive envelope systems in terms of biophilicphotobiological indicators. Main architectural elements of adaptive envelopes including window configuration and surface characteristics of shading systems, in particular color and reflectance, are explored to respond to Northern occupants' biophilic-photobiological needs. The thesis methodologies include a scoping literature review to critically discuss recent biophilic design guidelines, photobiological lighting, and nature connectedness/relatedness studies in relation to sub-Arctic climates, especially daylighting and photoperiods. Numerical and experimental methods were integrated to evaluate biophilic, photobiological lighting, thermal and energy performance of envelope systems for a case study of an open-plan office in Northern Canada. Experimental methods with physical scale models, high dynamic range imagery and post-processing techniques were employed to capture, compute, and visualize photobiological lighting parameters. Impacts of shading panels' (SPs) characteristics on photobiological lighting performance were explored by experimenting approximately 40 1:50-scale prototypes and 23 1:10-scale prototypes under clear/overcast skies with actual/artificial daylighting. Numerical models were developed to evaluate biophilic and thermal/energy performance of envelope systems. Dissertation outcomes include a theoretical-conceptual framework of photobiological-biophilic design which characterizes positive occupants' relationships with the sub-Arctic nature through envelopes. Photobiological lighting adaptation scenarios integrated with thermal requirements were developed which could address hourly/seasonal photobiological needs of Northern occupants in different buildings. Deficiencies of typical single-skin envelopes in Northern Canada and multi-skin envelopes with different depths of intermediate spaces/cavities and window sizes were specifically evaluated in terms of biophilic, photobiological lighting and thermal indicators. A fundamental model of adaptive high-performance envelopes is proposed for Northern buildings which includes an optimum window size, a dynamic-colored-insulated shading system, and a thermal buffer system made of a glazing exterior skin. Photobiological lighting performance of SPs' configurations, including color, reflectance, orientation, inclination, density, size, openness, and position at the window, were characterized. Results of experimental-numerical elevations reveal that the proposed adaptive envelope could offer efficient indoor-outdoor connections which respond to Northern occupants' photobiological-psychological needs and energy requirements. Dissertation outcomes could enlighten architects and policymakers about potentials of adaptive envelopes and integrative photobiological-biophilic frameworks to improve public wellbeing and energy efficiency in Northern climates. Major issues for future developments of adaptive biophilic buildings in Northern climates were also outlined including life cycle assessments and sociocultural studies.