Les stratégies de conception architecturale en éclairage naturel peuvent améliorer la qualité et l'habitabilité des espaces intérieurs en augmentant leur relation avec l'extérieur et, dans le cas du Nunavik, le territoire. La photobiologie privilégie également la lumière du jour comme source lumineuse dans les espaces intérieurs pour sa capacité à synchroniser les rythmes biologiques de l’horloge circadienne. Pourtant, ces stratégies demeurent un défi au Nunavik en raison de son climat subarctique, de sa photopériode et géométrie solaire particulières. Cette recherche a pour objectif de développer des représentations de la lumière du jour dans l'architecture du Nunavik, afin d’informer son intégration dans de futurs projets d'architecture. Elle adresse les représentations spatiales d'information quantitative en tant qu'outil approprié pour l'évaluation d'ambiances lumineuses. Celles-ci suggèrent un meilleur dialogue entre architectes et autres intervenants de l'industrie du bâtiment par la communication des qualités spatiales de différents environnements architecturaux. La lumière est représentée pour les parties photopique (vision diurne) et mélanopique (rythmes biologiques) du spectre électromagnétique, mesurées respectivement en lux et Equivalent Melanopic Lux (EML). Un outil numérique basé sur des micro-ordinateurs Raspberry Pi est développé pour des relevés photographiques automatisés à faible coût. Le module caméra associé (RPiCM) permet d’acquérir des images à grande gamme dynamique (HDR), qui mesurent précisément la luminance (cd/m2) pour rendre compte de la perception humaine en relation au chromatisme et à l'intensité lumineuse. Des cartes de dominance photopique/mélanopique sont développées pour identifier les surfaces et composantes architecturales qui contribuent à ces intervalles respectifs. Les patterns lumineux de différents paysages et intérieurs sont évalués par cette variable photobiologique (c’est-à-dire, qui impacte les rythmes biologiques), puis exprimés dans un graphique afin de valider leur potentiel circadien ainsi que les relations intérieur-extérieur. Ultimement, les représentations spatiales informent les initiatives conceptuelles des architectes, et servent d'outil de communication avec d’autres intervenants du bâtiment. / Architectural daylighting design strategies can improve the quality and inhabitability of indoor spaces by increasing their connection with the exterior and, in the case of Nunavik, the land. Photobiology also favours daylight as a light source in indoor spaces for its ability to synchronize the biological rhythms through the circadian clock daily entrainment. Yet, these strategies remain a challenge in Nunavik due to its subarctic climate, photoperiod and solar geometry. The objective of this research is to develop representations of daylight in Nunavik's architecture so as to inform its integration into future architectural projects. It addresses spatial representations of quantitative information as an appropriate tool for assessing light ambiences, suggesting a better dialogue between architects and other stakeholders in the building industry by communicating the spatial qualities of different architectural environments. Light is represented for the photopic (daytime vision) and melanopic (biological clock) portions of the electromagnetic spectrum, measured respectively in lux and equivalent melanopic lux (EML). A digital tool based on Raspberry Pi microcomputers is developed for low-cost automated photographic surveys. The associated camera module (RPiCM) generates High Dynamic Range (HDR) images, which accurately measure luminance (cd/m2) to render human perception in relation to light intensity and chromaticity. Photopic/melanopic dominance maps are developed to identify the surfaces and architectural components that contribute to these respective intervals. Lighting patterns of different landscapes and indoor scenes are evaluated using this photobiological variable, and then expressed in a graphical display so as to validate their circadian potential, and express interior-exterior relations. Ultimately, spatial representations inform architects’ design initiatives, and serve as a communication tool with other building stakeholders.

Cette recherche propose un milieu virtuel comme un dispositif de représentation morphologique des ambiances lumineuses générées par une structure adaptative et dynamique, mettant en relation le rapport entre l’extérieur et l’intérieur à l’étape de conception architecturale. L’outil développé appelé DARMIN, « Daylight Adaptive aRchitecture Modeling INterface », devient l’inducteur exploratoire de la démarche de création, grâce à son système interactif. Le concepteur, en situation d’exploration typologique formelle, exploite les potentialités et les qualités de l’espace architectural que l’ambiance lumineuse recèle. De cette façon, la recherche proposée offre la possibilité de l'émergence de nouvelles réponses morphologiques complexes soutenant la démarche du design. Elle permet en outre aux concepteurs d’expérimenter un large éventail de solutions possibles dans un laboratoire virtuel, un environnement de conception contrôlée qui renforce la créativité de l’architecte. Ainsi, la recherche présentée s’intéresse particulièrement à montrer le potentiel d’une structure architecturale adaptative qui bonifie quantitativement et qualitativement l’expérience de l’espace interne et externe, à travers la nature dynamique de l’ambiance lumineuse. / This research proposes a virtual environment as a device for morphological representation of luminous ambiances generated by an adaptive and dynamic structure, linking the relationship between the outside and inside at the stage of architectural conception. This developed tool called DARMIN « Daylight Adaptive aRchitecture Modeling INterface », becomes an exploratory inductor within the creative process through its interactive system. The designer, in typologically formal exploration phase, exploits the potential and qualities of architectural space that luminous ambiances harbors. In this way, the proposed research offers the possibility of the emergence of new complex morphological responses supporting the process of design. It also allows designers to experiment with a wide range of possible solutions in a virtual laboratory, controlled design environment that enhances the creativity of the architect. Thus, the presented research is particularly interested in showing the potential of adaptive architectural structure that quantitatively and qualitatively improves the experience of internal and external space through the dynamic nature of the luminous ambiances.

L’utilisation de vitrages spécialisés est une stratégie permettant aux constructions résidentielles québécoises d’atteindre un meilleur rendement énergétique. Cependant, ces vitrages modifient la quantité et la qualité de la lumière intérieure, ce qui a un effet important sur la perception visuelle de l’espace et de la vue sur l’extérieur. Cet effet est particulièrement important à considérer dans les espaces de repos ou de loisir, comme dans un salon ou une salle de séjour, puisque l’attention de l’occupant est focalisée sur les ambiances et les qualités de l’espace plutôt que sur une tâche particulière. Toutefois, très peu d’études se sont penchées sur la qualité de la lumière en fonction du type de vitrage en milieu résidentiel. L’objectif principal de cette recherche est d’étudier l’influence de vitrages spécialisés (à revêtements et verres teintés) sur la qualité de la lumière naturelle en milieu résidentiel. Cette étude a été réalisée à l’aide d’une maquette à échelle réduite simulant une salle de séjour et dont le vitrage était interchangeable. Sept échantillons de vitrage étaient à l’étude. Des participants devaient observer l’intérieur de la maquette et évaluer les qualités de l’espace et de la lumière pour chaque type de vitrage. De plus, la couleur de la lumière transmise a été étudiée à l’aide d’une analyse numérique d’images digitales. L’ensemble des résultats obtenus a confirmé la plupart des hypothèses de travail et corroborent les résultats obtenus lors de recherches antérieures. Parmi ces résultats, il apparaît que le type de vitrage a influencé la perception du niveau de lumière, de la naturalité, de la beauté et de la précision. De plus, les vitrages dont la transmittance est plus élevée ont produit des évaluations plus positives concernant la perception de la naturalité, de la beauté et de la précision. Par ailleurs, les résultats suggèrent que pour un facteur de transmission similaire (82 et 83%), les participants ont préféré un vitrage double sans oxyde de fer à un vitrage double standard, ce qui est probablement attribuable à la neutralité spectrale du vitrage sans oxyde de fer. Enfin, la présente étude suggère que les participants ont peu apprécié l’espace et la lumière lorsque le vitrage produisait une lumière verdâtre. / The use of tinted and coated glazing is one of the strategies that can improve energy efficiency of residential buildings. However, these glazing types modify the quantity and quality of daylight in the building and these modifications affect the visual perception of the interior and view out. This effect is probably more important to consider in spaces dedicated to contemplation, such as a residential living room, because more attention is allocated to the room’s ambience. However, most studies in this area have been conducted in a work environment and no studies have been conducted in a residential environment. The main objective of this research was to study the effect of glazing type on daylight quality in residential spaces. The experience was conducted using a scale model of a typical living room where the glazing type was interchangeable. Seven glazing samples provided by local manufacturers were tested. The participants looked inside the model and evaluated daylighting qualities according to each glazing type. Furthermore, the transmitted light colour was studied and analysed by a digital photo analysis. The main results confirmed most of the work hypotheses and corroborated some results of previous research. Among these results, it was found that the glazing type influences the perception of light level, naturalness, beauty and pleasantness and precision. Also, the correlation between visual transmittance and the qualitative factors confirms the hypothesis that glazing types of a higher visual transmittance produce more positive ratings regarding the perception of naturalness, beauty and pleasantness and precision. Furthermore, results suggest that for a similar transmittance (82 and 83%), participants preferred an iron-free double pane glazing to a standard double pane glazing, which is probably due to the spectral neutrality of the iron-free glazing. Finally, this research indicates that glazing types with a strong green shift are generally disliked.

Les variations de la lumière naturelle lors du passage d’un espace à un autre caractérisent de manière complexe, mais importante le design d’un bâtiment. Cette adaptation visuelle s’inscrit dans un processus spatiotemporel et influe sur le confort et le bien-être de ses occupants. La littérature fait état du peu de connaissances de la relation lumière espace-temps. Cette recherche propose donc d’étudier cette relation spatio-temporelle existant entre la lumière et l’espace, afin de qualifier un parcours architectural au moyen d’une expérimentation in situ et de segments filmiques. La recherche combine l’utilisation d’un luminance-mètre, d’une caméra vidéo et d’une méthode d’analyse d’images numériques afin de permettre l’évaluation des qualités spatio-temporelles de la lumière. Le parcours architectural est analysé selon la diversité et l’intensité des ambiances lumineuses en fonction du temps permettant de décrire les perceptions visuelles d’espaces transitions. Cette méthode dynamique offre un potentiel d’analyse et de création aux concepteurs désireux d’enrichir le design de séquences spatiales en favorisant la diversité lumineuse dans l’expérience architecturale. Mots clefs: adaptation visuelle, analyse d’images, ambiance lumineuse, contraste, éclairage naturel, espaces transitions, lumière perception visuelle, vidéo, spatio-temporel. / Natural light characterizes architecture in a complex manner, especially when considering its fluctuations and variations whenever we experience a transition or passage from a space to another. It also influences the comfort and the well-being of its occupants. This visual adaptation appears in a process that is translated into a spatio-temporal dynamics implying body movement from space to space. The literature review recognizes the lack of knowledge in the relation light-space-time. This research proposes to study this spatio-temporal relation existing between light and architectural space, to qualify an architectural promenade through in situ experimentation including filmic segments. The thesis develops an innovative ambient survey methodology integrating whereas variables of this research take into account the qualitative and quantitative aspects of light. It combines the use of a luminance-meter, a camcorder and the analysis of numerical images as a starting point for the assessment of spatio-temporal qualities of light. The resulting analysis allows a classification of luminous transitional experiences. The architectural promenade is analyzed according to the diversity and relative intensity of luminous ambiances in relation to time, which allows the development of a descriptive analysis of visual perceptions through spatial transitions. This method of analysis potentially favours the design of sequences of spaces while encouraging and applying principles of luminous diversity in architecture. Keywords: Contrast, daylight, images analysis, light, luminous ambiances, video, visual adaptation, visual perception, transitional spaces, spatio-temporal.

L'architecture des modèles de logement dans l'Arctique canadien doit être optimisée pour offrir aux occupants des liens positifs avec l'environnement extérieur, ce qui constitue le principal principe de conception biophilique. Les stratégies architecturales doivent également améliorer la performance énergétique des logements, la transition thermique et l'exposition à la lumière du jour lors des interactions intérieur-extérieur - lorsque l'on passe d'un environnement extérieur extrêmement froid à des espaces intérieurs climatisés. La biophilie est l'idée de relier les intérieurs à la nature extérieure pour améliorer le bien-être des occupants. Cependant, les modèles de logements arctiques existants n'offrent pas aux occupants des connexions positives et suffisantes avec l'environnement extérieur hostile. Les liens limités avec l'environnement extérieur et les éléments naturels ont eu un impact négatif sur le bien-être physique et psychologique des occupants de l'Arctique. Les espaces intermédiaires biophiliques se caractérisent par leur transparence et leur liberté de mouvement, c'est-à-dire des espaces non conditionnés situés entre l'environnement extérieur et le modèle de logement climatisé. L'intégration d'espaces intermédiaires biophiliques dans les modèles de logements arctiques peut créer une zone d'adaptation thermique qui assure des transitions thermiques efficaces et progressives avec l'environnement extérieur. La transparence des espaces intermédiaires peut maximiser l'accès à la lumière du jour, ce qui peut contribuer à la santé des occupants liée à la lumière et aux activités semi-extérieures. Les espaces intermédiaires à circulation libre peuvent optimiser l'efficacité énergétique globale du modèle de logement arctique en protégeant l'enveloppe du bâtiment et les ouvertures contre les pertes de chaleur. Cependant, les espaces intermédiaires biophiliques n'ont pas été adaptés aux modèles de logements arctiques canadiens. Les méthodologies de la thèse comprennent une revue de la littérature combinée à une analyse archétypale et à une observation in situ afin d'examiner de manière critique la conception des logements arctiques existants et les études de cas d'espaces intermédiaires reliant l'environnement intérieur à l'environnement extérieur. La thèse utilise également des méthodes numériques avec une simulation numérique paramétrique pour évaluer la performance thermique, l'éclairage et la performance énergétique des espaces intermédiaires libres pour un modèle de logement arctique au Nunavut, Canada. Grâce à la méthode paramétrique, les variables architecturales des espaces intermédiaires sont évaluées en termes (i) de variables de conception primaires, c'est-à-dire l'orientation, le volume de l'espace et le ratio de transparence, et (ii) de variables de conception secondaires, c'est-à-dire les matériaux et la contiguïté physique des espaces. La température (°C), le facteur de lumière du jour (FL) et l'intensité de la consummation d'énergie (ICE) sont considérés comme les principaux indicateurs de performance. 26 études de cas d'espaces intermédiaires ont été explorées en termes de performance optimale dans des conditions climatiques annuelles, hebdomadaires typiques (pour chaque saison) et quotidiennes. Les résultats de la thèse comprennent un cadre de bien-être biophilique établissant des connexions intérieures-extérieures positives en termes de performances thermiques, visuelles (liées à la lumière) et énergétiques. La thèse développe également un cadre de conception identifiant les principales variables architecturales et les indicateurs de performance pours intégrer les espaces intermédiaires biophiliques dans les modèles de logements arctiques. Les résultats suggèrent également la configuration architecturale optimale des espaces intermédiaires biophiliques pour l'habitat arctique, qui comprend des ratios de transparence de 50 à 80 % et une profondeur d'espace d'environ 6 mètres. Les modèles optimaux offrent une température intérieure moyenne comprise entre 13,5° C et 16° C et un facteur de lumière du jour supérieur à 30 % tout au long de l'année. Ces modèles optimaux d'espace intermédiaire biophilique et libre peuvent réduire la consommation d'énergie dans les logements arctiques d'environ 19 kWh/m2 par an. Les résultats de la thèse révèlent que les configurations architecturales optimales des espaces intermédiaires biophiliques et libres peuvent établir des connexions intérieures-extérieures efficaces, répondant efficacement aux besoins de bien-être des occupants de l'Arctique, y compris sur le plan thermique et de l'éclairage. En tant que résultat principal de la thèse, les résultats peuvent éclairer les architectes et les décideurs sur les avantages des espaces intermédiaires biophiliques pour améliorer le bien-être des occupants de l'Arctique et optimiser l'efficacité énergétique des modèles de logement de l'Arctique. Les résultats de la recherche pourraient aider les décideurs politiques à promouvoir des conditions de vie plus saines et à améliorer le bien-être de la communauté. Les configurations optimales des espaces intermédiaires biophiliques peuvent profiter aux communautés inuites de l'Arctique canadien, en leur offrant la possibilité de se connecter à l'environnement extérieur et de promouvoir leur bien-être. / The architecture of Canadian Arctic housing models must be optimized to provide occupants with positive connections to the outdoor environment as the main biophilic design principle. Architectural strategies must also improve housing energy performance, thermal transition, and exposure to daylight during indoor-outdoor interactions – when moving from the extremely cold outdoor environment to air-conditioned indoor spaces. Biophilia is the idea of connecting indoors to the outdoor nature to improve occupants' well-being. However, existing Arctic housing models do not provide occupants with positive and sufficient connections to the harsh outdoor environment. Limited connections with the outdoor environment and natural elements have reportedly negatively impacted Arctic occupants' physical and psychological well-being. Biophilic intermediate spaces are characterized as transparent and free running, i.e., unconditioned spaces located between the outdoor environment and the air-conditioned housing model. Integrating biophilic intermediate spaces into Arctic housing models can create a thermal adaptation zone that provides efficient and gradual thermal transitions with the outdoor environment. The transparency of intermediate spaces can maximize access to daylight, that can contribute to occupants' light-related health and semi-outdoor activities. The free-running intermediate spaces can effectively optimize the overall energy efficiency of the Arctic housing model by protecting the building envelope and openings from heat loss. However, biophilic intermediate spaces have not been develop for Canadian arctic housing models. The thesis methodologies consist of a scoping literature review combined with archetypal analysis, and in-situ observation to critically review the design of existing Arctic housing and case studies of intermediate spaces connecting the indoor and the outdoor environment. The thesis also employs numerical methods with parametric digital simulation to evaluate the thermal, lighting, and energy performance of free running intermediate spaces for an Arctic housing model in Nunavut, Canada. Through the parametric method, architectural variables of intermediate spaces are evaluated in terms of (i) primary design variables, i.e., orientation, space volume, and transparency ratio, and (ii) secondary design variables, i.e., materials, and physical adjacency of spaces are evaluated. Temperature (°C), Daylight Factor (DF), and Energy Use Intensity (EUI) are considered as the main performance indicators. 26 case studies of intermediate spaces have been explored in terms of optimum performance under annual, typical weekly (for each season), and daily climatic conditions. The thesis results include a biophilic wellbeing framework establishing positive indoor-outdoor connections in terms of thermal, visual (light-related), and energy performance. The thesis also develops a design framework identifying main architectural variables and performance indicators to integrate biophilic intermediate spaces into Arctic housing models. Results also suggest the optimum architectural configuration of biophilic intermediate spaces for Arctic housing that includes 50% to 80% transparency ratios and approximately 6 meters space depth. The optimum models provide an average indoor temperature between 13.5° C to 16° C and a Daylight Factor above 30% around the year. Such optimum models of biophilic and free-running intermediate space can reduce energy in Arctic housing around 19 kWh/m2 annually. The thesis result reveals that the optimum architectural configurations of biophilic and free-running intermediate spaces could establish efficient indoor-outdoor connections, effectively addressing the Arctic occupants' well-being needs including thermal and lighting. As the major thesis outcome, the findings can enlighten architects and decision-makers about the advantages of biophilic intermediate spaces to improve the well-being of Arctic occupants and optimize the energy efficiency of Arctic housing models. Research findings could help policymakers promote healthier living conditions and improve the well-being of the community. Optimum configurations of biophilic intermediate spaces can benefit Inuit communities of the Caadian Arctic, offering them the opportunity to connect with the outdoor environment and promote their well-being.

S'inscrivant dans le champ de recherche émergeant sur les ambiances lumineuses, cette recherche s'intéresse au potentiel de l'image numérique pour l'exploration et l'analyse de la lumière dans le paysage urbain nocturne. À partir de relevés effectués dans les villes de Québec et de Montréal, comme autant d'images qui se succèdent à l'échelle du piéton, le projet propose d 'évaluer l'image numérique 2D comme outil permettant des analyses et explorations quantitatives et qualitatives des espaces urbains éclairés. La méthodologie employée s'appuie sur la recherche développée par Demers [1997]. Le potentiel créatif du médium pour la conception lumière est également abordé. Parallèlement, la recherche propose de développer une démarche spécifique au contexte de la lumière urbaine nocturne afin de cerner différents aspects qui composent les ambiances lumineuses nocturnes, tels que les effets de la lumière sur les formes urbaines (espaces ou objets architectures). Les outils de relevés employés présentent l'avantage d'être accessibles autant pour le chercheur que pour le concepteur lumière. Ils ont fait l'objet d'explorations afin de déterminer leurs limites dans des conditions d'éclairage nocturne. Il s'agit de la photographie à l'aide d'une caméra réflexe 35 mm et de la vidéo. Des outils de mesures de la lumière tel qu'un photomètre ainsi que des posemètres manuels complètent les besoins de la recherche. Les images numérisées sont traitées à l'aide du logiciel Adobe Photoshop. / Québec Université Laval, Bibliothèque 2019

La diversité environnementale et l’intégration des qualités visuelles et thermiques de la lumière sont intimement liés à l’expérience du projet d’architecture ainsi qu’à sa performance énergétique. Plusieurs logiciels de simulation informatique ont été récemment développés afin de faciliter l’évaluation quantitative de l’éclairage naturel et de son impact sur l’environnement thermique. Cependant, très peu de recherches ont étudié le volet qualitatif de l’éclairage naturel en explorant simultanément le caractère lumineux et thermique de l’espace. Cette facette de l’architecture se manifeste par la conception matérielle du bâtiment (ouvertures, matériaux, etc.) et constituent un facteur déterminant de la perception spatiale par l’usager. Il est donc primordial pour le concepteur de maîtriser ces notions et de les appliquer dès les premières esquisses du projet. Il peut cependant s’avérer très complexe pour l’architecte de prévoir et d’évaluer «l’invisible» (i.e. l’environnement thermique) au moment de la conception. Les caméras infrarouges permettent désormais la lecture de l’environnement thermique et peuvent devenir un puissant outil pour qualifier et représenter les ambiances thermiques liées au rayonnement solaire en architecture. La représentation de la diversité des ambiances lumineuses et thermiques peut avoir un effet fort bénéfique au niveau de la compréhension et de l’évaluation de bâtiments existants et ainsi constituer une banque de précédents à consulter lors de la conception architecturale. La recherche propose d’explorer le potentiel de l’imagerie digitale (photographique et thermographique), combiné aux différents outils de conception et de représentation architecturale, afin de permettre la visualisation et l’analyse de la diversité environnementale des ambiances physiques au niveau spatial ainsi qu’au niveau temporel. Mots-clés : Diversité environnementale, lumière, thermique, architecture, caméra digitale, contraste, visualisation, représentation, modélisation, image numérique. / The energy efficiency of a building is closely linked to the experience of occupants in architecture. Architects neglecting the visual and thermal qualities of light during the preliminary phase of design can lead to occupants discomfort and deceiving energy performance of the building. Architects must integrate environmental diversity as a design criteria at the first stage of design. While the assessment of the quantitative aspect of light and heat has been widely explored, very few researchers investigated the combined visual and thermal qualities of light over space and time. Energy modeling softwares, which are often used in the design and construction industry, tend to rely on precise information such as the nature of all materials and need countless information to operate, which allows only experts to get a detailed insight on the visual and thermal behavior of a building. This also makes energy simulation modeling inadequate at the first stage of design since a lot of parameters are still unknown. We could therefore say that software simulation «validates» a design concept, but cannot help «generate» that concept. That being said, it can be difficult for designers to figure out how the «invisible» (i.e. the thermal environment) part of the physical environment varies without the involvement of software modeling. There is indeed a need for a new method, a new type of precedents in architecture, devoted to train the eye of the architects to predict, by intuitive thinking, the behavior of lighting and thermal patterns of daylighting in time and space. This research explores the potential of using photographic and thermographic cameras in conjunction with three-dimensional models for the representation and assessment of the quality of light and heat in existing buildings. Recent development in infrared thermal imagery now offers the opportunity to open up the invisible thermal aspect of space to architects, integrating three-dimensional modeling, a powerful tool for visualizing and representing building environments, widely used by architects. The correct representation of the dynamics of those ambiances can generate considerable benefits on the understanding and the assessment of existing buildings and thus set up an unlimited source of precedents to seek advice from during the design of a new construction. As tangible artifacts, they constitute material entities with which to interact and thereby develop knowledge. Keywords: Luminous and thermal diversity, architecture, digital imagery, contrast, visualization, representation, 3d modelling.

Cette recherche-création étudie le potentiel des espaces de transition à offrir une diversité d'ambiances lumineuses dans le parcours entre l'intérieur et l'extérieur. Le cadre théorique s'appuie principalement sur la conception biophilique, la diversité environnementale et la perception visuelle. Trois concepts qui sont mis en relation à travers une solution architecturale; l'espace de transition. L'espace architectural éclairé naturellement offre un environnement visuel diversifié qui varie au rythme des cycles naturels affectant la perception des occupants. Dans le parcours entre l'intérieur et l'extérieur, l'espace de transition, par son volume simple et sa fonction transitoire, offre une stratégie spatiale qui permet le contrôle de la lumière naturelle de manière à enrichir les qualités lumineuses des espaces et articuler le niveau de proximité entre l'extérieur et l'intérieur ; entre la nature et l'architecture. Le cadre d'expérimentation jumèle la simulation numérique et la simulation analogique comme outils d'exploration des ambiances lumineuses dans un parcours architectural à l'étape de conception. Une conception typologique a été privilégiée pour favoriser la transposition des stratégies proposées à différentes situations d'aménagement où les architectes doivent composer avec la relation intérieur-extérieur et le contrôle de la lumière naturelle. La simulation en maquette offre une approche itérative tactile et intuitive permettant de bâtir les séquences spatiales et de les photographier sous la lumière du soleil. Une méthode mixte d'analyse permet d'évaluer les ambiances lumineuses perçues à l'aide des images HDR de la maquette et des données du facteur lumière du jour par simulation. En somme, les résultats démontrent qu'une diversité lumineuse stimulante peut être générée par l'ajout de l'espace de transition éclairé naturellement et que ce type d'aménagement peut augmenter les opportunités de contact avec la nature. Cette recherche montre l'intérêt d'une expérimentation typologique en maquette et la pertinence d'une méthode mixte d'analyse pour établir un lexique d'évaluation des ambiances lumineuses selon les critères de design.

Ce mémoire de maîtrise propose la numérisation laser tridimensionnelle LiDARcomme nouvelle méthode d'étude et de visualisation de l'éclairage naturel dans des environnements réels pour architectes et designers. Elle constitue un complément aux méthodes d'éclairage actuelles car elle répond aux limites de la méthode de mesure de l'éclairement, de la simulation numérique et de l'imagerie à haute dynamique(HDR)en ce qui concerne le relevé et la représentation des patterns lumineux. Il présente une étude de cas pour déterminer les avantages et les limites de la numérisation laser 3D dans une vaste cafétéria à éclairage naturel et artificiel, vaste, géométriquement complexe et fragmentée. Les patterns lumineuxet la géométrie del'espace sont capturés par un appareil à balayage laser 3D à travers une série de quatre numérisations. Les numérisations sont alignées et fusionnées pour former un seul modèle 3D de l'espace entier. Les patterns lumineuxsont présentés en relation avec la matérialité, la géométrie et la position des fenêtres, des murs, des appareils d'éclairage et des sources d'éclairage et présentés sous forme d'images semblables à des dessins de présentation architecturaux. Plus précisément, les patterns lumineuxsont illustrés dans un plan d'étage, un plan de plafond réfléchi, une axonométrie et une coupe transversale. La méthode fournit des résultats de visualisation percutants. Elle facilite leur compréhension des patterns lumineux, car un nombre illimité d'images peut être généré à partir d'un nuage de points. L'exactitude de la méthode de relevé des espaces éclairés naturellement estégalementvérifié pour desespacesrelevésen une et plusieurs numérisations en comparant les patterns lumineux des imageries HDR et des nuages de points. De plus, le mémoire explore le potentiel de la numérisation laser tridimensionnelle comme méthode pour simuler de nouvelles ambiances lumineuses dans des espaces existants. / This master thesisproposesLiDARtridimensional laser scanning as a new daylighting enquiry and visualization method for real built environments for architects and designers. It constitutes a complement to actual lighting methods because it responds to the limitations of the illuminance measuring method, computer simulation and high dynamic rangeimagery concerning the survey and representation of lighting patterns. It presents a case study to determine the advantages and limitations of 3D laser scanning in a vast, geometrically complex and fragmented naturally and artificially lit cafeteria. Lighting patterns and the geometry of the space are captured with a 3D laser scanner through a series of four scans. The scans are aligned and fused to form a single 3D model of the entire space. The lighting distribution patterns are showcased in relation to the materiality, geometry and position of windows, walls, lighting fixtures and the lighting sources and presented through images similar to architectural presentation drawings. More precisely, the lighting distribution patterns are illustrated in a floor plan, a reflected ceiling plan, an axonometry and a cross-section. The method provides powerful visualization results and facilitates their understanding as an unlimited number of images can be generated from a point cloud.The precision of the method for surveying daylit environments surveyed through one and several scans is also verified by comparing lighting patterns between HDR and point cloud imageries. Moreover, it explores tridimensional laser scanning as a method for rendering new lighting ambiances in existing spaces.

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.