Ce travail de thèse porte sur l'utilisation de la maquette numérique du bâtiment (BIM) pour l'optimisation de la gestion des bâtiments existants, en particulier le logement social. Ces bâtiments sont caractérisés par le vieillissement, les faibles performances énergétiques et le faible revenu des locataires dans le cas des logements sociaux. Les gestionnaires de ces bâtiments souffrent d’un manque de données concernant le patrimoine, ce qui peut entraîner des décisions inefficaces.La thèse présente d’abord les défis de la gestion technique de patrimoine, puis elle explique comment le BIM pourrait aider à relever ces défis en créant une plate-forme comprenant les informations sur le bâtiment et ses équipements ainsi que l'historique et la maintenance. Les avantages du modèle BIM sont illustrés à travers deux cas études : une résidence de logement social comprenant 50 appartements et un bâtiment de recherche sur le campus scientifique de l'Université de Lille.Le rapport de thèse est organisé en quatre parties.La première partie comprend l’état de l’art concernant les méthodes actuelles de gestion technique de patrimoine et l’apport du BIM à cette gestion.La deuxième partie décrit les étapes réalisées pour construire le modèle BIM d’une résidence de logement social. La troisième partie décrit l'implémentation du BIM pour optimiser la gestion des installations et la maintenance des bâtiments.La dernière partie décrit le développement d'un modèle BIM dynamique par la combinaison du model BIM et les données de confort et de consommations collectées avec des capteurs. Ce modèle sert à informer en temps réel les usagers et les gestionnaires. / This research concerns the use of the Building Information Modeling (BIM) for the optimal management of existing buildings, in particular social housing buildings. These buildings are characterized by aging, poor energy performances and tenant’s low-income. The building managers suffer from lack of data concerning the buildings asset which could lead to poor operating decisions.The thesis discusses how the BIM could help to meet existing buildings challenges by the creation of a friendly comprehensive system including information about the building and equipment as well as the maintenance. The benefits of the BIM model are illustrated through two case studies, which concern a social housing residence and a research building respectively.This thesis is composed of four parts. The first part includes a literature review concerning the current methods of facility management, and the role of BIM in improving this management.The second part describes steps carried out to realize the BIM model of an existing social housing residence which includes 50 dwells.The third part describes the use of BIM to optimize facilities management and building maintenance. The last part describes the development of a dynamic BIM model using the as built BIM and real time data collected with sensors to inform users and managers about energy consumption and abnormal events.

Cette thèse présente la technique de navigation magnéto-inertielle (MINAV) qui utilise les perturbations du champ magnétique en complément de capteurs inertiels (accéléromètres et gyromètres) pour la localisation d'un corps rigide en mouvement. On étudie des règles de conception, ainsi que des procédures opératoires nécessaires à la mise en pratique dans des conditions réelles. Un exemple de système complet, le "podomètre magnéto-inertiel", permettant la localisation d'un piéton évoluant dans des zones où le GPS est indisponible, est présenté.

En France, le secteur du bâtiment est le plus gros consommateur d'énergie parmi les secteurs économique, avec 43% de l'énergie finale totale et 25% des émissions de CO2. Il s'avère donc nécessaire de réduire l'impact environnemental de ce secteur en promouvant la construction des bâtiments neufs et la rénovation thermique des bâtiments existants, selon les critères des bâtiments à basse consommation d'énergie.<br /><br />L'objectif de ce travail est de développer une méthodologie pour réaliser des études de conception de bâtiments à basse consommation d'énergie. La méthodologie consiste à déterminer des modèles polynômiaux pour l'évaluation des performances énergétique et du confort thermique d'été des bâtiments, à l'aide de la méthode des plans d'expériences et des outils de simulation numérique. Ces modèles polynômiaux permettent de simplifier les études paramétriques, en apportant une réponse alternative aux outils de simulations numériques pour la recherche de solutions afin de concevoir des bâtiments à basse consommation d'énergie. La méthodologie est appliquée sur un bâtiment tertiaire à savoir un immeuble de bureaux.<br /><br />Dans le premier chapitre, nous présentons l'état de l'art des bâtiments à basse consommation d'énergie et à énergie positive, dans le but de dresser un bilan de connaissances sur le contexte énergétique français, sur les labels mis en place en France et à l'étranger, sur les projets réalisés et sur les techniques utilisées pour concevoir des bâtiments à basse consommation d'énergie.<br /><br />Ensuite, nous nous focalisons dans le second chapitre, sur le développement de modèles numérique nécessaires à l'élaboration de la méthodologie. Les modèles sont développés dans l'environnement MATLAB/SIMULINK et intégrés dans la bibliothèque SIMBAD, dédiée à la simulation numérique en thermique du bâtiment afin de participer à son développement. De plus, nous présentons des études d'évaluation énergétiques de systèmes spécifiques aux bâtiments à basse consommation d'énergie qui illustrent l'utilisation des modèles numériques développés.<br /><br />Un cas d'étude est défini dans le troisième chapitre ainsi que les contextes climatiques à considérer, les principes de base de la méthode des plans d'expériences et un exemple de son application. Le cas d'étude considéré est un immeuble de bureaux, nommé Beethoven, dont les caractéristiques de base seront choisies selon les exigences de la réglementation thermique. Ces caractéristiques constituent la configuration de référence qui est améliorée en suivant la méthodologie développée. L'analyse des huit zones climatiques définies par la réglementation thermique et l'évaluation des performances énergétiques du bâtiment pour la configuration de référence par rapport à ces climats, permettent de sélectionner trois climats représentatifs pour la suite du travail. Enfin, un exemple d'application de la méthode des plans d'expériences pour une optimisation énergétique de la configuration de référence permet de justifier le choix de cette méthode.<br /><br />Le début du quatrième chapitre est consacré au développement des modèles polynômiaux pour l'évaluation des performances énergétique et du confort thermique d'été du bâtiment Beethoven. Nous débutons ce chapitre par une évaluation des limites de la méthode des plans d'expériences pour déterminer ces modèles polynômiaux. Il en découle une méthodologie générale d'application de la méthode des plans d'expériences afin de développer des modèles polynômiaux pour réaliser des études de conception de bâtiment à basse consommation d'énergie. Ensuite, nous effectuons, à l'aide de ces modèles, une étude de sensibilité pour le bâtiment Beethoven et une analyse de solutions pour concevoir un bâtiment à basse consommation d'énergie selon divers critères énergétiques.<br /><br />Dans le dernier chapitre, nous présentons un exemple d'application des modèles polynômiaux développés pour identifier des solutions pour la conception de l'enveloppe et des systèmes du bâtiment Beethoven, afin d'obtenir un bâtiment à basse consommation d'énergie, selon les critères du label Français Effinergie et du label Allemand Passivhaus. Les configurations basse consommation d'énergie obtenues sont comparées par rapport à la configuration de référence en termes de performances énergétiques, de confort thermique d'été et d'émissions CO2.<br /><br />La méthodologie que nous proposons permet d'identifier, de manière simple et rapide, des solutions pour concevoir des bâtiments à basse consommation d'énergie. Les solutions sont sélectionnées à l'aide d'abaques définis avec les modèles polynomiaux développés. Le niveau de précision constaté par rapport à la simulation numérique est appréciable. Le choix des solutions est effectué parmi des millions de configurations de facteurs, déterminées à l'aide des modèles polynômiaux. La détermination de toutes ces configurations serait difficile voire impossible à réaliser directement à l'aide de la simulation numérique, sans avoir recours à des modèles polynomiaux, d'où l'avantage d'une telle méthodologie.<br /><br />Enfin, cette méthodologie constitue une base robuste pour le développement d'outils d'aide à la décision, destinés aux différents acteurs du secteur du bâtiment pour la conception des bâtiments neufs et la rénovation thermique des bâtiments existants, selon les critères des bâtiments à basse consommation d'énergie.

Le secteur du bâtiment contribue grandement aux impacts environnementaux occasionnés par les activités anthropiques. Pour tenter de réduire ces impacts, divers systèmes de certification pour le bâtiment ont été développés. Toutefois, ces certifications ont tendance à se concentrer principalement sur la consommation énergétique durant la phase d’exploitation du bâtiment. Par conséquent, leur application pour un bâtiment qui consomme de l’énergie occasionnant de faibles impacts sur l’environnement peut parfois mener à des effets indésirables sur les impacts environnementaux des bâtiments. Tandis que certaines certifications ne se concentrent que sur quelques aspects du bâtiment, comme Passive House qui est axé principalement sur la consommation énergétique, d’autres, comme LEED v4, qui est la plus présente en Amérique du Nord, ont une portée plus large. Néanmoins, LEED v4 accorde une plus grande importance à la consommation énergétique qu’à la sélection de matériaux. Basé sur une étude d’un bâtiment à bureaux situé au Québec (Canada), l’objectif de ce projet de recherche est de comparer les effets des matériaux sur les impacts environnementaux du cycle de vie d’un bâtiment en fonction de la considération de ces matériaux dans LEED v4. Ici, le terme matériaux est utilisé à des fins de simplification et signifie matériaux de construction utilisés pour construire le bâtiment. Les effets des matériaux sont évalués en analysant la contribution de ces derniers aux impacts environnementaux du bâtiment à l’étude ainsi qu’en déterminant leur potentiel de faire varier ces impacts par le changement de certaines configurations de matériaux de ce bâtiment. Les impacts environnementaux sont évalués par une analyse du cycle de vie (ACV) attributionnelle à l’aide du logiciel SimaPro 8.2, la base de données ecoinvent 3.1 et la méthode d’évaluation des impacts du cycle de vie (EICV) IMPACT 2002+. Les résultats montrent que les matériaux contribuent de façon importante aux impacts environnementaux du bâtiment (> 50 %) et que la sélection de différentes configurations alternatives de matériaux peut faire varier considérablement ces impacts (de 0 % à plus de 50 %). Par ces résultats, il est montré que LEED v4 ne semble pas bien capturer ces effets des matériaux sur les impacts environnementaux sur le cycle de vie des bâtiments par son système de pointage dans le cas où le bâtiment consomme exclusivement de l’énergie provenant du réseau électrique du Québec (où l’électricité produite est principalement de source hydraulique). Effectivement, le pointage accordé aux matériaux dans LEED v4 est de 13 points (ou 30 %) en comparaison à la consommation énergétique, qui est de 33 points (ou 70 %). Les résultats de ce projet de recherche permettent donc d’amener les diverses parties prenantes du secteur de la construction vers une réflexion plus éclairée sur le rôle à jouer de la sélection des matériaux et des certifications dans l’amélioration environnementale des bâtiments dans le cas où l’énergie consommée par les bâtiments occasionne de faibles impacts sur l’environnement, ainsi que sur la complémentarité de l’ACV avec les certifications. / Abstract : Buildings being one of the highest contributors to environmental impacts globally, various Green Building Rating Systems (GBRS) have been proposed in support to reduce their impacts. Primarily oriented towards energy consumption from use stage, their application in low impact energy contexts can result in some undesirable side effects. While some GBRS focus only on few aspects of the building, like Passive House, others like LEED v4, the most present in North America, have a broader scope. However, this GBRS grants more importance to energy consumption than material selection. Based on a office building case study in Quebec (Canada), the aim of this study is to compare the material effects on building LCA impacts and their considerations in LEED v4. Here, the term material is used, for simplicity purpose, to mean construction material used to build the building. Thus, the material effects can be reflected by the material contribution on building LCA impact and their potential to vary these impacts from the adoption of different material configurations. The environmental impacts are evaluated using the attributional LCA approach with SimaPro 8.2 software, ecoinvent 3.1 database and IMPACT 2002+ method. Building LCA results indicate the high environmental impact contribution from materials (> 50 %) and their good potential to vary LCA impacts (0 % to more than 50 %). By comparison, the LEED v4 rating system did not seem to be as effective in capturing the effects of materials in low impact energy context like the one of Quebec (where the electricity generation is hydro-based). As a matter of fact, material selection represents 13 points (or 30%) by comparison with 33 points (or 70%) for energy consumption. Conclusions drawn from this research project will help stakeholders from the building sector in their efforts to improve building environmental profiles providing answers about the implication of material selection and GBRS to this end and the complementarity between LCA and GBRS.

Dans cette thèse nous proposons des algorithmes de contrôle commande optimaux ayant pour but d’aider au bon choix des systèmes multi sources et leur utilisation optimale dans les bâtiments. L'estimation des charges de chauffage est transformée en un problème de contrôle où le régulateur calcule la charge de chauffage optimale du bâtiment. Le régulateur proposé pour ce but est de type Model Predictive Programming (MPP), qui est obtenu en modifiant l’algorithme de type Model Predictive Control (MPC). Comme le MPP requiert un modèle du bâtiment d'ordre réduit, nous proposons une méthode de modélisation par projection des paramètres sur une structure fixe obtenue à partir des connaissances physiques. Pour le contrôle du système multi sources, nous proposons un système de gestion technique du bâtiment (GTB) qui est divisé en deux : un régulateur de la température du bâtiment et un contrôleur des sources. Pour la régulation thermique on utilise l’algorithme MPC, pour lequel nous proposons une nouvelle fonction de coût, car la fonction classique ne minimise pas la consommation d'énergie. La fonction de coût proposée permet de maintenir le confort thermique avec une consommation d'énergie minimale. Nous la formulons de telle façon qu’elle puisse être optimisée en utilisant la Programmation Linéaire (PL). Pour pouvoir utiliser la PL, nous proposons une linéarisation du modèle, basée sur des connaissances physiques, qui permet d'utiliser le modèle sur toute la plage de fonctionnement. Pour le contrôle des sources, nous proposons une solution qui prend en compte la commande MPC afin d'utiliser les ressources d'énergie plus efficacement. La GTB proposée est évaluée en émulation sur la maison Mozart et comparée avec deux GTB basées sur des régulateurs PID. Les résultats obtenus montrent que la GTB proposée a toujours maintenu le confort thermique dans le bâtiment, a réduit la consommation d'énergie et l'usure des pompes hydrauliques et de la pompe à chaleur. / This thesis proposes methods and solutions to improve the choice and the optimal use of renewable energies in buildings. The heating load assessment is transformed into a control problem where the regulator calculates the optimal heating load of the building. The proposed regulator for this aim is Model Predictive Programming (MPP), which is obtained by modifying Model Predictive Control (MPC). The required information by MPP is a low order building model and data records of the local weather. Therefore, we propose a modelling method in which the detailed model of the building is projected on a reduced order model having its structure obtained from physical knowledge. For the control of the multi source system, we proposed a Building Energy Management System (BEMS) which is divided in two parts: the first for the building temperature control and the second for the source control. For building thermal control we utilize MPC, for which we propose a new cost function because the classical one does not minimize the energy consumption. The proposed cost function permits to maintain the thermal comfort with minimal energy consumption. We formulate this function such that it can be optimized by using Linear Programming (LP) algorithm. To be able to use LP we give a solution to linearization of the building model based on the physical knowledge, which permits to use the model on the entire operating range. For the source control, we propose a solution which takes into account the command given by MPC in order to use the energy resources more effectively. The proposed control system is evaluated and compared with two PID based BEMS, against comfort and energetic criteria. The evaluation is performed in emulation on a reference detached house. The obtained results show that the proposed control system always maintains the thermal comfort in the building, reduces the energy consumption and the wear and tear of the hydraulic and heat pumps from the heating system.

Les bâtiments en acier de faible hauteur (BAFH) constituent une partie importante des constructions non résidentielles au Canada. Ces bâtiments ont la particularité d'avoir une toiture relativement flexible dans son plan comparativement aux bâtiments en béton où la rigidité est très élevée. La majorité des études sur les BAFH ont été publiées depuis 1994 suite au tremblement de terre de Northridge en Californie. Au Canada, la conception des structures doit respecter les exigences du Code National du Bâtiment du Canada (CNBC) dans lequel sont inscrites les exigences sur les charges sismiques, entre autres. Pour déterminer ces charges, il faut connaître la période de vibration du bâtiment. Le CNBC présente donc des formules empiriques pour déterminer cette période. Celles-ci ont cependant été dérivées pour des bâtiments multiétagés et ne s'appliquent pas pour les BAFH. L'objectif principal de ce mémoire est de mieux comprendre le comportement dynamique des BAFH. Pour ce faire, douze essais sous vibrations ambiantes ont été menés sur onze bâtiments afin de créer une base de données expérimentale. À partir de cette base de données, 24 équations permettant de prédire la période de vibrations sont présentées. De ses équations, six sont retenues et une est suggérée pour remplacer celle du CNBC. Le CNBC permet, pour la conception, d'utiliser la période obtenue à l'aide d'un logiciel d'éléments finis. Ce mémoire compare donc celles-ci à celles obtenues par les essais in situ et celles fournies par le CNBC. De plus, différentes hypothèses de modélisation sont vérifiées par une étude paramétrique. Les résultats montrent que la rigidité du modèle étant plus faible que le bâtiment réel, la période est toujours plus faible. Ceci fait en sorte que les efforts calculés sont aussi plus faible et donc du coté non-sécuritaire. C'est pourquoi il est conseillé de ne jamais utiliser la période obtenue par éléments finis pour le dimensionnement des BAFH.

Il est reconnu que la maçonnerie non renforcée présente un comportement défaillant lors de tremblements de terre. Sa rupture entraîne des risques importants pour le public et peut survenir à des degrés de sismicité faibles, même lorsque l'intégrité structurale du bâtiment n'est pas menacée. Plusieurs exemples d'éléments de maçonnerie non renforcée particulièrement vulnérables ont été rapportés suite aux séismes du Saguenay en 1988 et de Loma Prieta en 1989. Le Réseau canadien de recherche parasismique a débuté un projet de recherche qui devra conduire à un guide d'inspection et de réhabilitation des éléments de maçonnerie non renforcée. La première étape menant à la rédaction de ce guide est l'identification et le relevé des vulnérabilités connues et potentielles de même que l'évaluation de leur importance et le suivi de leur évolution dans le patrimoine de construction canadien. Les travaux de recherche présentés concernent cette phase d'inspection et d'identification. De plus, une campagne d'instrumentation et d'observation sous vibrations ambiantes a été amorcée afin de déterminer les propriétés dynamiques des bâtiments comportant des éléments de maçonnerie non renforcée. Ces propriétés pourront ensuite être généralisées et servir aux analyses dynamiques requises lors du processus d'évaluation sismique d'un bâtiment.

Ce travail a pour but d'identifier les régimes de combustion se développant lors d'un feu de compartiment, la source de combustible étant située dans la zone piégée par un linteau. Le comportement de la flamme est étudié en fonction de la géométrie de l'enceinte, du débit et du type de combustible, et du facteur de ventilation. Une enceinte est réalisée, des visualisations de l'émission de la flamme, des mesures de vitesse, de température et de composition des espèces chimiques sont effectuées. Une flamme se stabilise à l'aide d'une flamme triple à l'interface entre les zones ventilées du compartiment et non ventilée au dessus du niveau du linteau. Cette structure réactive ainsi que la mesure d'aire de la flamme permet de dégager des comportements du feu en fonction des conditions expérimentales. La flamme est stable dès que la vitesse de propagation de la flamme prémélangée devient supérieure ou égale à la vitesse de convection naturelle. Deux régimes de combustion sont observés, l'un est contrôlé par le combustible disponible (fort débit injecté), l'autre par l'air entrant dans l'enceinte pour les faibles facteurs de ventilation. La transition de ce régime de flamme vers un embrasement de cibles combustibles est également abordée

Cette étude porte sur l‘identification de modèles dynamiques pour l‘évaluation des performances et le diagnostic énergétique de bâtiments existants. Le travail de thèse se place donc dans un contexte d‘économie d‘énergie et d‘efficacité énergétique accrue qui sont d‘intérêt primordial aujourd‘hui. Nous nous adressons à des bâtiments de bureaux occupés mais relativement bien instrumentés. Nous disposons des mesures horaires de température extérieure, de rayonnement solaire, de puissance de chauffage, de puissance électrique et de température de l‘air intérieur. L‘objectif étant de proposer une démarche méthodologique permettant de quantifier les performances énergétiques de l‘enveloppe du bâtiment à partir des données disponibles, d‘une part, et de préconiser des voies pour leur amélioration, d‘autre part. Les étapes majeurs de la démarche d‘évaluation/diagnostic proposée s‘ajuste pour l‘essentiel sur celles d‘une procédure classique d‘identification : a) analyse préliminaire des données disponible ; b) choix des structures mathématiques susceptibles de reproduire convenablement le comportement dynamique du bâtiment ; c) estimation du modèle et validation ; et exploitation du modèle pour des fins d‘évaluation et de diagnostic. Grâce aux résultats obtenus par une première approche « boîte noire » nous effectuons une tentative de diagnostic énergétique approfondi en s‘appuyant sur une modélisation physique du bâtiment (« boîte blanche »). / This study concerns the identification of dynamic models for performance evaluation and energy diagnosis of existing buildings. The work of this PhD takes place in a context of energy conservation and energy efficiency which are of essential interest today. We are dealing with occupied office buildings but relatively well instrumented. We have hourly measurements of outdoor temperature, solar radiation, heating power, electrical power and indoor air temperature. The aim is to propose a methodological approach to quantify the energy performance of building envelope from the available data, on the one hand, and to recommend ways to improve them, on the other. Major steps of the process evaluation / diagnosis given for the most fits with those of a standard procedure of identification: a) preliminary analysis of available data, b) choice of mathematical structures for well describing the building behavior c) model estimation and validation, and operation of the model for evaluation and diagnosis. With the results obtained by a first approach "black box" we make a tentative of detailed diagnosis based on physical building model ("white box").

L'hétérogénéité des espaces urbains et l'interaction avec les bâtiments sont à l'origine de processus complexes à prendre en compte dans les études de pollution atmosphérique et de climat urbain à petite échelle. Afin d'estimer l'impact des bâtiments sur l'écoulement et la dispersion de polluants, une étude détaillée dans un milieu urbain idéalisé a été effectuée avec le modèle numérique tridimensionnel Mercure_Saturne, en modélisant à la fois les concentrations moyennes et leurs fluctuations. Pour prendre en compte le rayonnement atmosphérique en milieu bâti et les effets thermiques des bâtiments, nous avons implémenté un modèle radiatif tridimensionnel adapté à la géométrie complexe. Ce modèle, adapté d'un schéma utilisé pour le rayonnement thermique, résout l'équation des transferts radiatifs en milieu semi-transparent, en utilisant la méthode des ordonnées discrètes. Le nouveau schéma a été validé en milieu transparent sur des cas idéalisés et comparé à un cas complet.