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.

De nombreuses recherches démontrent qu'un contact visuel avec la nature et l'accès à la lumière du jour dans le milieu scolaire favorise le bien-être et la réussite éducative des élèves. Au moment où la majorité des bâtiments du milieu scolaire québécois doivent être rénovés, il existe peu de méthodes d'évaluation et de visualisation permettant aux architectes d'identifier les enjeux et opportunités des écoles québécoises en termes d'éclairage naturel et de lien visuel avec l'extérieur. L'objectif de cette recherche consiste à évaluer et représenter l'éclairage centré sur l'humain et les vues sur l'extérieur dans le milieu scolaire, afin d'informer le processus de requalification des écoles primaires québécoises. Elle aborde l'analyse d'espaces intérieurs dans trois écoles de Québec par une approche d'évaluation post-occupationnelle (EPO), soit le relevé environnemental. Cette méthode permet de quantifier la connexion visuelle avec l'extérieur en termes d'angles de vue (°), et l'éclairage centré sur l'humain en termes de température de couleur (K), ainsi que d'éclairement photopique (Lux) et mélanopique (Equivalent melanopic lux - EML). La recherche développe également des méthodes de représentation permettant de spatialiser les données quantitatives recueillies lors des relevés sur des plans et coupes architecturaux, ainsi que des photographies panoramiques. Ces spatialisations permettent d'étudier le lien entre la position et le champ visuel des occupants en relation aux caractéristiques architecturales d'un espace scolaire qui modifient les relations intérieures extérieures. L'analyse simultanée de plusieurs représentations illustre la manière dont les obstructions naturelles, la configuration des fenêtres et la matérialité des salles de classe modifient l'éclairage centré sur l'humain et les possibilités de vues extérieures. Ultimement, les visualisations spatiales développées dans cette recherche informent la manière dont diverses stratégies d'éclairage naturel et de connexion visuelle avec la nature contribuent au bien-être des occupants, permettant le transfert des connaissances générées par les EPO vers la conception architecturale. / Numerous studies have shown that a visual contact with nature and daylighting in the school environment promotes children's well-being and academic achievement. At a time when most Quebec school buildings require major renovation, there exist few evaluation and visualization methods that allow architects to identify the challenges and opportunities of Quebec schools in terms of daylighting and visual connection with the exterior. The objective of this research is to evaluate and represent human-centric lighting and views in the school environment, to inform the requalification process of Quebec primary schools. It addresses the analysis of interior spaces in three Quebec City schools through a post-occupancy evaluation (POE) approach, namely the environmental survey. This method quantifies the visual connection with the exterior in terms of viewing angles (°), and human-centric lighting in terms of colour temperature (K), as well as photopic (Lux) and melanopic illuminance (Equivalent melanopic lux - EML). The research also develops representation methods to spatialize the quantitative data collected during the surveys on architectural plans and sections, as well as panoramic photographs. These spatializations make it possible to study the link between the position and the visual field of the occupants in relation to the architectural characteristics of a school space that modify the interior-exterior relations. Simultaneous analysis of several representations illustrates how natural obstructions, window configurations and the materiality of classrooms alter human-centric illumination and opportunities for outdoor views. Ultimately, the spatial visualizations developed in this research inform how various daylighting strategies and visual connections to nature contribute to occupant well-being, and enables the transfer of knowledge generated by POE to architectural design.

Les enfants passent plus du tiers de leur journée à l'école où la plupart de leurs activités d'apprentissage se déroulent à l'intérieur. Au Québec, Canada, la plupart des écoles primaire sont atteint la fin d'un premier cycle de vie et doivent être rénovées pour assurer un environnement d'apprentissage de qualité. Ces rénovations offrent le potentiel de favoriser la réussite éducative et le bien-être des élèves et du personnel scolaire en améliorant la qualité de l'environnement visuel, thermique, olfactif et auditif. Au Québec, des variations saisonnières importantes influencent l'expérience de la nature et la relation entre les espaces intérieurs et extérieurs. Cette recherche vise à développer une approche de rénovation biophilique des écoles primaires québécoises qui tient compte de la diversité saisonnière. Dans le contexte de la rénovation des écoles québécoises pour améliorer l'expérience et le bien-être des occupants, cette thèse s'appuie sur l'évaluation post-occupationnelle et le design informé par les données probantes (evidence-based design) pour caractériser les déterminants mesurables et perceptuels de l'architecture biophilique en climat froid. Cette recherche vise à (1) recenser les études sur les relations entre le design biophilique et le bien-être, avec une attention particulière pour les écoles en climats froids, (2) diagnostiquer les qualités biophiliques des bâtiments existants avant de réaliser des visites de sites, (3) évaluer les expériences biophiliques lors de visites d'écoles dans une démarche d'évaluation post-occupationnelle et (4) examiner les configurations spatiales qui engendrent des expériences biophiliques et proposer une approche de conception pour les environnements d'apprentissage des enfants. Cette thèse développe des outils pour soutenir la réalisation de diagnostics et proposer des solutions à plusieurs échelles architecturales qui favorisent les expériences multisensorielles liées aux forces naturelles et aux organismes vivants (ex. lumière, vent, neige et végétation). Cette approche multiméthodes comprend des analyses de dessins d'architecture, des visites d'écoles et des mesures des conditions environnementales dans un échantillon d'écoles primaires québécoises. Dans une optique de recherche et développement, des analyses de précédents et des ateliers d'architecture ont permis d'étudier l'expérience multisensorielle des ambiances physiques dans des projets d'agrandissement d'écoles. Premièrement, l'outil diagnostique basé sur la géométrie spatiale des bâtiments utilise les éléments mesurables des dessins d'architecture pour évaluer le design biophilique. Une combinaison des critères de certification des bâtiments, des principes de conception bioclimatique et des stratégies de design biophilique offre un moyen simple d'analyser les qualités architecturales d'une école, ce qui s'avère bénéfique aux étapes préliminaires du diagnostic et de la conception. Deuxièmement, l'outil de représentation des expériences biophiliques (BERT) évalue subjectivement des caractéristiques environnementales (comme le soleil, la neige et la végétation) et décrit les sensations, les sentiments, la compréhension et l'affiliation à la nature que les espaces engendrent. Utilisé lors des visites de site, il permet aux architectes de confirmer ou d'infirmer les possibilités de design identifiées à l'aide de dessins d'architecture. BERT permet d'évaluer plusieurs espaces dans un court laps de temps tout en minimisant les perturbations pour les élèves et le personnel. Cet outil diagnostique a servi lors de visites d'écoles en hiver pour indiquer où les caractéristiques environnementales pourraient être améliorées pour favoriser le bien-être des occupants. Alors que les outils diagnostiques concernent des dessins d'architecture ou des expériences in situ, les outils d'aide à la conception développés dans la thèse intègrent ces deux aspects pour favoriser le bien-être en milieu scolaire. Le vocabulaire de design biophilique illustre les possibles expériences multisensorielles d'un espace. Il classe les éléments architecturaux et les espaces selon le degré d'intériorité - extériorité et de contiguïté. Les schémas de design biophilique complètent le vocabulaire de design biophilique pour aider les architectes à explorer les configurations spatiales qui engendrent des expériences biophiliques dans les écoles. Les 38 schémas proposés sont organisés par échelle architecturale et type d'espace (intérieurs, semi-fermés et extérieurs). Ces outils offrent une représentation visuelle simplifiée des expériences de la nature et une organisation des stratégies de design à diverses échelles du bâtiment. Les méthodes développées dans cette thèse aident à caractériser les opportunités et défis architecturaux pour les expériences biophiliques dans les écoles québécoises. Ces outils guident les architectes dès l'évaluation préliminaire d'un bâtiment, lors des visites de sites, à l'étape de la conception et dans l'évaluation post-occupationnelle des écoles rénovées. / Children spend over a third of their day at school where most of their learning activities occur indoors. In the province of Quebec, Canada, most primary schools have reached the end of a first life cycle and require renovations to ensure a quality learning environment. Renovating these buildings offers the potential to foster academic success and the well-being of students and school staff by enhancing the quality of the visual, thermal, olfactory and auditory environment. In Quebec, the relationship between interior and exterior spaces is a fundamental aspect in architectural design considering the important seasonal variations that generate different experiences of nature throughout the year. This research aims to develop an approach to the biophilic redesign of learning environments in Quebec schools by taking into consideration seasonal diversity. In the context of renovating Quebec schools to enhance occupant experiences and well-being, this thesis uses a post-occupancy evaluation and evidence-based design framework to characterise measurable and perceptual determinants of biophilic architecture in cold climates. This research aims to (1) review studies into the relationships between biophilic design and well-being, with particular consideration for schools in cold climates, (2) diagnose the biophilic qualities of existing buildings before site visits are carried out, (3) assess people's experiences of nature during building walkthroughs in post-occupancy evaluations and (4) examine the forms and spatial configurations that engender biophilic experiences and propose a design approach for children's learning environments. This thesis develops an ensemble of architectural tools to support the realisation of diagnoses and to identify solutions at several building scales that promote multisensory experiences of natural forces and living organisms (such as light, wind, snow and vegetation). This multi-method approach includes analyses of architectural drawings, school visits and measurements of environmental conditions in a sample of primary schools in Quebec. Within a research and development framework, precedent analyses and architectural design studios offer the opportunity to investigate visual, thermal, olfactory and auditory experiences in simulated school addition projects. Firstly, the diagnostic tool based on spatial geometry uses the measurable elements contained in architectural drawings to assess biophilic design. A combination of building certification criteria, bioclimatic design principles and biophilic design guidelines offers a simple means of assessing architectural qualities while considering the climatic context, which can be highly beneficial in the early diagnostic and design stages. Secondly, the Biophilic Experience Representation Tool (BERT) subjectively evaluates a selection of environmental features (such as sun, snow and vegetation) and describes the sensations, feelings, understanding and affiliation with nature that the settings engender. Used during site visits, it enables architects to confirm or disprove the design opportunities identified using architectural drawings. The value of using BERT lies in its ability to enable architects to evaluate multiple spaces in a short period of time while minimising disruptions for school children and staff. This diagnostic tool was used during school visits in winter to indicate where environmental features could be enhanced to foster the well-being of occupants. While the diagnostic tools focus on architectural drawings or in situ experiences, the design tools combine both aspects to offer a design approach that fosters experiences of nature in children's learning environments. The biophilic design vocabulary offers a common way of describing potential biophilic experiences. It categorises architectural elements and spaces in terms of spatial enclosure, adjacency, abiotic nature and biotic nature. The biophilic design schemas expand on the biophilic design vocabulary to help architects explore the spatial configurations that engender biophilic experiences in schools. Drawing on pattern thinking, the 38 schemas are organised across design scales and indoor, semi-enclosed and outdoor spaces. These design tools provide a simplified visual representation of experiences of nature and an organisation of design strategies throughout building scales in the preliminary design stages. The diagnostic and design methods developed in this thesis help to characterise current challenges and opportunities for biophilic experiences in Quebec schools. These tools therefore provide valuable guidance from the early assessment of a building, during site visits, in the design development process and in the post-occupancy evaluation of the renovated schools.