Dans le domaine de la conception de produits nouveaux (NPD), le facteur humain est considéré comme une source de créativité. Visant à la conjonction de la nouveauté et de l'utilité, le domaine NPD structure un processus méthodologique en développant des outils et méthodes intégrant des informations relatives à l'utilisateur dans les phases amont de la conception. En vue d'avoir des points de vue nouveaux qui permettront d'améliorer les méthodologies de NPD, notre recherche propose comme domaine d'application la conception architecturale (CA). Dans le domaine de CA, la prise en compte de l'utilisateur futur est considérée comme une tache essentielle tout comme le domaine de NPD. Lors de l'intégration des informations relatives à l'utilisateur futur dans les phases amont du processus de conception architecturale, nous avons constaté certains problèmes sur l'intervention du consultant en ergonomie dans les phases amont et sur les difficultés de communication entre les futurs utilisateurs et l'architecte. La conception architecturale se doit d'intégrer des méthodes et outils qui peuvent favoriser l'activité créative pluridisciplinaire en amont du processus. Nous proposons un modèle théorique du processus amont de CA basé sur l'introduction des méthodologies de NPD qui sont en cours de développement. Il vise à favoriser la création architecturale tout en intégrant les divers avis concernant la qualité architecturale vis-à-vis de l'utilisation. Dans le cadre d'un projet architectural, appliqué à l'habitat d'urgence, nous avons expérimenté ce modèle théorique et ensuite effectué la critique constructive avec des architectes professionnels. Le résultat de cette recherche est un modèle du processus amont de conception architecturale qui permet d'intégrer des informations relatives à l'utilisateur de manière collaborative lors de la génération et le développement des concepts. Au cours de la construction de ce modèle, nous avons pu apporter de nouvelles connaissances en innovation des méthodologies de NPD, tout en offrant une vision nouvelle de la conception architecturale.

De nos jours, les entreprises doivent faire face à une situation économique de plus en plus concurrentielle qui les oblige à développer de plus en plus rapidement des produits de plus en plus complexes. C’est dans ce contexte que sont apparus les systèmes mécatroniques, fruits de l’intégration de technologies issues de la mécanique, l’électronique, l’informatique et l’automatique. Ces systèmes mécatroniques sont particulièrement complexes à concevoir pour les bureaux d’étude en raison des niveaux d’intégration fonctionnelle et techniques, nécessitant une forte coordination entre les différents ingénieurs, de différentes disciplines. Il est par conséquent nécessaire de fournir aux concepteurs de nouveaux outils permettant de mieux concevoir, de manière plus efficace, des produits mécatroniques, optimisés tant du point de vue fonctionnel que performanciel. La thèse présentée dans ce mémoire vise à proposer aux concepteurs des outils permettant de concevoir des architectures mécatronique et de les optimiser, dans les phases amont du processus de conception (conception architecturale). Nous présentons dans un premier temps notre démarche de conception globale, comprenant quatre niveaux de conception et permettant, en détaillant progressivement les architectures mécatroniques dans les différents niveaux, de construire plusieurs architectures permettant de répondre à un besoin client, tout en satisfaisant aux normes et législations en vigueur. Dans un deuxième temps, nous proposons une démarche d’optimisation permettant d’employer des techniques d’optimisation combinatoire afin d’automatiser une partie du processus de conception architecturale, en particulier la phase visant à construire les architectures produits à partir d’un ensemble de principes de solution ou de solutions techniques. Nous montrons enfin dans un troisième temps l’application des étapes de notre démarche globale, ainsi que de notre démarche d’optimisation combinatoire, afin de résoudre un problème visant à développer une éolienne de moyenne puissance pour l’alimentation d’un gîte de montagne. / Nowadays, industries should face a more and more competitive economic situation that forces them to faster develop increasingly complex products. This is in this context that appeared mechatronic systems, the fruit of the integration of technologies from mechanical, electrical, computer and control engineering. These mechatronic systems are particularly complex to design for R&D designers as they require strong coordination between the engineers from different specialities to reach the required levels of functional and technical integration. It is therefore necessary to provide new design tools and approaches to better and more efficiently design mechatronic products and optimize their functionalities as well as their performance. The thesis presented in this manuscript aims to provide design approaches to the designers to design and optimize mechatronic architectures from the early design phases (embodiment design). We first present our global design approach, with four design levels to build and gradually detail mechatronic architectures to meet customer needs as well as the standards and legislation. Secondly, we propose an combinatorial optimization-based approach to computerize some parts of the architectural design process, especially the phase where architectures are built from a set solution of principles or technical solutions. We finally show how the design and optimization approaches have been applied to solve a design problem aiming to develop a medium power wind turbine for supplying a mountain cottage.

Ce travail porte sur la conception du « durable » dans le milieu de l'architecture en Inde. Il s'appuie, notamment, sur deux séjours effectués en 2011 et en 2012, dans une agence d'architecture dans la ville d'Ahmedabad (dans l’État du Gujarat) et dans un bureau d'études dans la ville de Bombay (dans l’État du Maharashtra). L'arrivée des labels sur le marché de l'immobilier et de la construction permet de mettre au goût du jour l'idée de « durabilité » dans la conception architecturale et de raviver un débat typiquement local. La polémique concerne, plus précisément, la mise en œuvre des labels « LEED » d'origine nord-américaine. Ce « durable » « occidental » et procédural, qui sert des logiques économique et de marketing, ne représente pas, selon les architectes, l'« authentique ». Or, l'Inde est le pays, par excellence, du « durable » : il suffit de regarder autour de soi les modes de vie, la culture indienne, ou évidemment, l'architecture « traditionnelle » et « vernaculaire ». Au delà de cette rhétorique entre tradition et modernité, en suivant dans les petits détails des projets d'architecture en train de se faire, l'enquête ethnographique montre les similarités entre ces deux lieux de conception. Le devenir du « durable » est lié, d'une manière ou d'une autre, à l'idée d'engagement et de conviction. L'idéal de « durabilité » ne repose pas tant sur une certitude (qui demeure pour le reste toujours plus ou moins relative selon les acteurs), mais sur le quotidien et les pratiques qui tendent à le faire vivre et à lui donner corps le plus possible. / This work explores the making of sustainability in the field of architecture in India. It is based on two ethnographical studies made in 2011 and 2012, in an architectural studio in the city of Ahmedabad (in the State of Gujarat) and in an consultancy firm in the city of Bombay (in the State of Maharashtra). The arrival of labels on the real estate and construction markets makes it possible to date the idea of sustainability in architectural design and rekindle a typical local debate. The controversy more specifically concerns the implementation of LEED certifications of American origin. This “Western” and procedural sustainability, which serves economic and marketing logics, does not represent, according to the architects, the “authentic” one. But then, India is said to be, par excellence, the country of sustainability: just look the lifestyles, Indian culture, or of course, the “traditional” and “vernacular” architecture. Beyond the rhetoric between tradition and modernity, the ethnographic investigation follows the small details of architectural projects in the making and shows the similarities between the studio and the consultancy firm. The fate of sustainability is related, in one way or another, to ideas of commitment and conviction. The ideal of sustainability is not lying so much on a certainty (which still more or less depends on the actors), but on the daily life and on the practices that tend to give it life and the most substance possible.

Diverses études ont montré que l'activité de conception en architecture en général s'apparente à ce<br />que nous nommons un cheminement sémantique. En situation de projet, le passage d'un objet de<br />conception à un autre objet, d'une représentation à une autre ou d'un état de définition à un autre<br />se fait par conservation, enrichissement ou épuisement de sens.<br />Pour assister ce processus de conception, nous avons travaillé sur la mise en oeuvre d'une base de<br />données d'images qui joue le rôle d'un dispositif sémantique référentiel à partir duquel les<br />concepteurs peuvent inférer et construire de nouveaux systèmes sémantiques orientés vers leur<br />projet. Nous savons également que concevoir une solution architecturale impose d'introduire des<br />références externes au problème de conception. Pour cela, nous proposons des images illustrant<br />des réalisations architecturales existantes qui constitueront des références architecturales et<br />visuelles pour le concepteur. L'objectif de notre travail est de proposer une méthode pour<br />construire cette base d'images à partir de laquelle le concepteur pourra inférer et construire de<br />nouveaux systèmes de formulation/résolution de problèmes orientés vers son projet. Cette méthode<br />repose sur trois points fondamentaux qui sont : (i) la construction d'un langage adapté à la fois à<br />description du domaine et des images, (ii) la pondération des termes utilisés pour l'indexation des<br />images et enfin (iii) la proposition d'une interface de recherche adaptée aux besoins du concepteur.

Cette étude couvre l'ensemble de l'architecture mésopotamienne du IVe millénaire av. J.-C., tant les grands ensembles monumentaux comme celui d'Uruk que le bâti domestique. En s'attachant à la planification technique et métrologique de la conception et l'implantation des plans, elle a livré une série de résultats concluants sur l'emploi d'un petit nombre d'unités de mesure récurrentes organisées en système et sur l'utilisation de schémas aux proportions simples dans la construction des bâtiments. L'examen de quelques sites exceptionnels a montré qu'y avait été mis en œuvre un projet architectural planifié à l'échelle du site entier, permettant ainsi d'approcher le modèle mental idéal d'architecture domestique en vigueur et des implications sociales qu'il véhicule. Par ailleurs, l'inscription du corpus dans la diachronie permet d'apporter quelques éléments à la question de l'« expansion urukéenne » qui teinte l'ensemble des relations interrégionales en Mésopotamie au IVe millénaire.

La conception architecturale est souvent réalisée grâce aux habitudes professionnelles et à l'expérience des concepteurs, qui leur permettent d'identifier les paramètres de conception pertinents à prendre en compte pour commencer l'étude et de faire les choix qu'impliquent une démarche séquentielle de détermination d'architecture. Ces décisions sont difficiles à prendre car les concepteurs ne disposent pas forcément d'éléments suffisants pour comparer les différentes alternatives. Ainsi, ils procèdent souvent par essai-erreur, jusqu'à l'obtention d'une configuration opérationnelle, mais qui n'est pas nécessairement optimale. Ces itérations sont, de plus, coûteuses en temps.<br /><br />Nous proposons un système d'aide à la décision en conception préliminaire, permettant de partir de plusieurs concepts de solution pertinents, pour arriver à une architecture validée et prédimensionnée en objectivant les choix de conception. <br />Les grandes étapes sont : (i) l'écriture du problème de conception préliminaire sous forme de Problème par Satisfaction de Contraintes (PSC), (ii) la recherche exhaustive des architectures solutions, (iii) l'exploitation et la réduction de l'espace des solutions pour aider à la décision. C'est seulement ensuite qu'un choix est à faire parmi ces solutions, qui n'ont pas été arbitrairement restreintes par des choix initiaux.<br /><br />Les étapes (i) et (iii) nécessitent une analyse préalable du problème de conception. Il faut, d'une part, le limiter aux seules caractéristiques nécessaires et suffisantes pour la conception architecturale, que nous nommons caractéristiques structurantes. D'autre part, il faut exprimer les objectifs de conception et les critères de qualification de la conception, qui permettent de hiérarchiser les architectures-solutions obtenues et ainsi aider au choix final parmi elles.<br />Nous proposons pour cela une démarche systématique d'analyse et structuration du problème de conception, basée sur quatre étapes, depuis l'analyse du besoin jusqu'à une approche physique, en passant par des approches fonctionnelle et organique du produit à concevoir. Des tableaux systématiques sont proposés.<br /><br />Notre approche est confrontée avec la démarche 'classique' d'un groupe de concepteurs, pour une même conception architecturale. L'utilisation du système d'aide à la décision permet une amélioration de la satisfaction des objectifs de conception, le choix du concept de solution le plus performant, l'obtention d'architectures-solutions valides et respectant toutes les contraintes énoncées. On dispose ainsi d'éléments dimensionnels pour poursuivre en conception détaillée sans subir les itérations engendrées par le processus essai-erreur.

L'architecte soucieux de révéler son architecture devrait donc donner une représentation évocatrice de sensations et d'émotions, une représentation des ambiances qui caractérisent l'édifice qu'il projette. Cependant, la représentation de l'architecture est essentiellement visuelle. Nous nous interrogeons alors sur la capacité des représentations produites par les architectes à traduire les ambiances projetées à travers l'ensemble des sens : comment représenter ce qui ne se voit pas mais se ressent ? Ce travail est composé de trois parties. Tout d'abord, nous posons les jalons d'une histoire de la représentation des ambiances pour comprendre la mise en place des codes de représentation architecturale et leurs évolutions au cours du temps. Nous identifions ensuite une période temporelle restreinte qui est l'objet d'une étude plus précise dans la seconde partie qui, quant à elle, s'attarde plus précisément sur trois projets pour mettre en évidence divers modes et outils de représentation utilisés en fonction des phases du processus de conception du bâtiment. Nous nous interrogeons sur les corrélations qui peuvent exister entre les intentions d'ambiances initiales des concepteurs et les ambiances vécues par les usagers dans le bâtiment construit. Notre objectif, auquel nous répondons dans la troisième partie de ce mémoire, est de proposer une esquisse de démarche de conception des ambiances architecturales dans le but d'assurer le maintien de l'intention d'ambiances initiale tout au long du processus de conception jusque dans les espaces vécus.

La conception architecturale de systèmes mécaniques et énergétiques permet d'étudier la faisabilité de concepts préalablement choisis pendant la phase de recherche de concepts. Elle fait partie de la phase de conception préliminaire et son achèvement vise à définir l'architecture globale qui sera étudiée pendant la phase de conception détaillée d'un produit. Les principales caractéristiques d'un produit (dimensions, choix de composants, de formes, de topologies ou de matériaux) sont alors fondamentales à ce stade de la conception. La conception architecturale nécessite aussi la prise en compte des comportements physiques et des interactions du produit, de ses composants et des milieux extérieurs, de critères économiques, environnementaux, etc. suivant les exigences du cahier des charges fonctionnel. Le concepteur définit un modèle mathématique exprimant cette connaissance liée au produit. Ce modèle peut être traité à l'aide d'un solveur de Problèmes de Satisfaction de Contraintes numériques (CSP). Ce type de solveur traite de manière générique des problèmes formulés à l'aide de contraintes, de variables et de domaines. Nous proposons de nouveaux algorithmes et de nouvelles heuristiques qui prennent en compte des besoins spécifiques au concepteur en conception préliminaire, comme : la classification des variables, les précisions relatives aux valeurs de certaines variables, les contraintes par morceaux. Les études de faisabilité de plusieurs systèmes mécaniques et énergétiques ont été réalisées avec succès. Les nouveaux algorithmes ont permis de diminuer significativement les temps de calculs, mais ils ont aussi permis d'améliorer la qualité des solutions calculées au regard des besoins du concepteur.

La conception architecturale constitue une étape complexe du développement d'un produit, car elle implique: (i) une prise de décision dans un contexte où les données du problème sont mal définies ou imprécises, (ii) une exploration de l'espace des solutions qui doit rester aussi large que possible, (iii) des choix de conception basés sur des variables continues ou discrètes, et (iv) une optimisation multidisciplinaire. Ainsi, les modèles de simulation classiquement utilisés en conception sont souvent mal adaptés à une réelle prise de décision: certains modèles sont trop simples, les choix sont alors entachés d'erreur de modélisation, d'autres sont trop spécialisés et certaines solutions risquent d'être ignorées. Nous proposons dans cette étude une approche de la formalisation de modèles plus adaptée à la prise de décision en conception architecturale. Cette méthodologie vise à obtenir des modèles à la fois parcimonieux et exacts. Ainsi, les modèles sont plus faciles à exploiter en conception préliminaire et cohérents avec les attentes du concepteur. La méthode développée repose sur: (i) une approche globale basée sur la décomposition fonctionnelle pour conserver une cohérence entre les modèles des différents composants, (ii) l'utilisation de quatre critères de qualification des modèles permettant de s'assurer de leur adéquation avec les objectifs de la conception préliminaire, (iii) l'utilisation des techniques d'adaptation de modèles, permettant de faire des choix de conception à l'aide de solveurs de Problèmes par Satisfaction de Contraintes (PSC). Les quatre critères de qualification utilisés sont: (i) la parcimonie du modèle, liée au nombre minimal de variables et d'équations décrivant correctement le comportement du système, (ii) l'exactitude du modèle, estimant l'adéquation entre les résultats du modèle et des résultats issus d'un modèle de référence, (iii) la précision du modèle, évaluant l'étendue du domaine de variation de chaque variable, due à un manque de connaissance ou à une incertitude et (iv) la spécialisation du modèle, qui est une mesure de la restriction du domaine d'application du modèle, relativement à la quantité d'information introduite dans le modèle. Les quatre critères retenus sont pertinents de la conception préliminaire dans la mesure où: la parcimonie assure la simplicité du modèle, la spécialisation contribue à définir l'étendue du domaine d'application du modèle, et donc les limites de l'espace de conception, enfin, l'exactitude et la précision donnent une mesure de la fidélité du modèle à la réalité. Utilisés au cours de la méthodologie proposée, ces critères constituent un moyen de contrôle des modèles jusqu'à atteindre la forme souhaitée. Enfin, cette méthodologie est illustrée au travers de l'exemple d'une batterie de véhicule électrique, pour lequel deux modèles de niveaux systémiques différents sont comparés.

En conception de produits, l'étape de conception dite architecturale doit aboutir à une solution décrivant les caractéristiques du produit, telles que les dimensions ou le choix de composants. Parmi les nombreuses solutions potentielles, il est nécessaire d'effectuer un choix et de pouvoir le justifier de manière rigoureuse. Ce choix doit en outre intégrer l'éventuelle présence d'une solution de référence, pouvant par exemple être issue de projets antérieurs, ou d'études préliminaires. Dans ce but, nos travaux présentent une méthode d'aide à la décision en vue de sélectionner une solution de conception ; nous la nommons méthode OIA (Observation-Interprétation-Agrégation). Cette méthode emploie deux types de modèle, l'un pour formaliser le comportement objectif du produit (Observation), l'autre pour les préférences subjectives du concepteur (Interprétation). Dans ces préférences, nous incluons le comportement attendu du produit, la satisfaction du concepteur ainsi que les compromis intrinsèquement réalisés lors du processus de conception. Ces compromis sont réalisés au travers de stratégies de conception et de logiques de pondérations (Agrégation). La méthode OIA est employée une première fois pour qualifier les solutions de conception en termes de performance. Cette méthode est ensuite appliquée une seconde fois afin de qualifier la solution par rapport à la solution de référence, en termes de confiance accordée par le concepteur. Nous introduisons la notion d'arc-élasticité en conception comme un indicateur de compromis entre performance et confiance pour une solution de conception. Plusieurs algorithmes stochastiques d'optimisation sont comparés comme méthodes de recherche de solutions candidates pertinentes. Nous les détaillons, les comparons et proposons une méthode de sélection multicritère afin d'identifier l'algorithme le plus pertinent. Notre travail est appliqué au dimensionnement d'une jonction rivetée dans un contexte aéronautique industriel.