Développement d’une méthode d’optimisation multiobjectif pour la construction bois : prise en compte du confort des usagers, de l’impact environnemental et de la sécurité de l’ouvrage

Industrialised countries are seeking to reduce their energy consumption and to use alternative raw materials, including renewables such as wood. To promote its use, multi-storey timber constructive systems need the development of new design methods.Building required a multicriteria design where conflicting objectives must be optimised simultaneously. Research solutions have to achieve the best Pareto-compromise between use performance and environmental impact of the building. This work aims to develop a multiobjective optimisation method of timber multi-storey building.The objectives of maximising floor vibration comfort and minimising heating needs, thermal discomfort, global warming potential and embodied energy are taken into account. A multi-objective particle swarm optimization algorithm is used to obtain a set of non-dominated solutions which is the Pareto front. The solution space is constrained by regulatory requirements necessary for the safety of the structure. All objective-functions are modelled as analytic functions. Dynamic thermal simulation model outputs are replaced by metamodels.The developed method is implemented on a case study. The results offer a great diversity in a panel of 20 000 optimal solutions. These results provide a basis for discussion between the different actors of a construction project.Les pays industrialisés cherchent aujourd’hui à réduire leur consommation d'énergie et à utiliser des matières premières de substitution, notamment renouvelables dont le bois fait partie. Pour promouvoir son usage, le développement de méthodes favorisant son recours dans les systèmes constructifs pour la construction multiétage est nécessaire.La conception d’un bâtiment est multicritère. Des objectifs contradictoires sont à optimiser simultanément. Des solutions de compromis Pareto-optimaux sont par exemple recherchées entre l’atteinte des meilleures performances d’usage et la limitation de l’impact environnemental du bâtiment. Ces travaux portent ainsi sur le développement d’une méthode d’optimisation multiobjectif de systèmes constructifs bois adaptés au multiétage.Des objectifs de maximisation du confort vibratoire des planchers et de minimisation des besoins de chauffage, d’inconfort thermique, de potentiel de réchauffement climatique et d’énergie grise sont pris en compte. La méthode repose sur un algorithme d’optimisation multiobjectif par essaim particulaire capable de proposer un ensemble de solutions non-dominées constituant le front de Pareto. L’espace des solutions est contraint par des exigences réglementaires nécessaires à la sécurité de l’ouvrage. L’ensemble des fonctions-objectif est modélisé sous forme de fonctions analytiques. Les sorties d’intérêt du modèle de simulation thermique dynamique sont substituées par des métamodèles.La méthode développée est mise en oeuvre sur un cas d’étude. Les résultats obtenus offrent une grande diversité dans un panel de 20 000 solutions optimales. Ces résultats constituent un support de discussion entre les différents acteurs d’un projet de construction

Performance of a sequential versus holistic building design approach using multi-objective optimization

Integrated design processes are currently pushed forward in order to achieve net-zero energy building designs at affordable cost. Through a case study of a residential building, this paper compares a sequential versus a holistic design approach based on multi-objective optimization. In the holistic approach, 39 design variables related to the architecture and HVAC systems are simultaneously optimized. In the sequential approach, the architecture variables are first optimized; several optimal solutions are then selected for the second phase optimization of the heating system parameters. Carbon footprint, life cycle cost and thermal comfort are optimized by the algorithm NSGA-II. With only 100 computational hours, the holistic approach found 59% of the optimal solutions, whereas it took 765 h to find 41% of the optimal solutions with the sequential approach. This comparison shows the negative effects of making irreversible variable selections in the early phase of a design process, as it reduces the ability to find optimal solutions in the end

La conception de bâtiment bois multi-étage, un problème multi-objectif difficile.

Le bois est un matériau à faible impact environnemental qui permet une mise en œuvre rapide. Ses caractéristiques thermiques permettent de limiter les déperditions énergétiques en hiver. Néanmoins la construction bois est encore peu développée en France avec un taux d’incorporation dans la construction de 10% contre 35% en Scandinavie et Amérique du Nord. Par ailleurs, il a été constaté un manque de connaissance en construction bois et plus spécifiquement sur le multi-étage. Nous nous intéressons ici au développement de méthode de conception de bâtiment bois multi-étage en prenant en compte les différentes contraintes réglementaires. Le bâtiment est un système complexe qui fait l’objet d'études de conception multidisciplinaire souvent traitées par champs technologique. Il existe des travaux où des compromis entre les objectifs de performance environnementale, énergétique et économique ont été recherchés. D'autres visent l’optimisation d’objectifs mécaniques et thermiques. Le compromis entre les différents objectifs est alors déterminé suivant le principe de dominance selon Pareto. Les résultats sont représentés sur un front dit de Pareto et le choix d'une solution est laissé à la discrétion du décideur. Partant d’études de conception par optimisation, Mela et al. (2012) proposent de comparer des outils d’analyse multicritère permettant de choisir une solution sur le front de Pareto. L’objectif de nos travaux consiste à développer une méthode d’optimisation multi-objectif couplée à une aide à la décision multicritère adaptée aux systèmes constructifs bois multi-étage. Le but est d'optimiser la conception du système constructif en fonction des exigences normatives (thermiques, mécaniques,...) ou industrielles portant sur le bâtiment multi-étagé (ou multi-étage). L’algorithme d’optimisation sera choisi en fonction des types des variables de décision (continues, discrètes). La mise en œuvre posera la question de l'interfaçage du système d'optimisation avec les outils standards de simulation thermique et mécanique qui peuvent vite devenir gourmands en temps de calcul

Development of a multiobjective optimisation method for timber building : consideration of user comfort, environmental impact and structural safety

Les pays industrialisés cherchent aujourd’hui à réduire leur consommation d'énergie et à utiliser des matières premières de substitution, notamment renouvelables dont le bois fait partie. Pour promouvoir son usage, le développement de méthodes favorisant son recours dans les systèmes constructifs pour la construction multiétage est nécessaire.La conception d’un bâtiment est multicritère. Des objectifs contradictoires sont à optimiser simultanément. Des solutions de compromis Pareto-optimaux sont par exemple recherchées entre l’atteinte des meilleures performances d’usage et la limitation de l’impact environnemental du bâtiment. Ces travaux portent ainsi sur le développement d’une méthode d’optimisation multiobjectif de systèmes constructifs bois adaptés au multiétage.Des objectifs de maximisation du confort vibratoire des planchers et de minimisation des besoins de chauffage, d’inconfort thermique, de potentiel de réchauffement climatique et d’énergie grise sont pris en compte. La méthode repose sur un algorithme d’optimisation multiobjectif par essaim particulaire capable de proposer un ensemble de solutions non-dominées constituant le front de Pareto. L’espace des solutions est contraint par des exigences réglementaires nécessaires à la sécurité de l’ouvrage. L’ensemble des fonctions-objectif est modélisé sous forme de fonctions analytiques. Les sorties d’intérêt du modèle de simulation thermique dynamique sont substituées par des métamodèles.La méthode développée est mise en oeuvre sur un cas d’étude. Les résultats obtenus offrent une grande diversité dans un panel de 20 000 solutions optimales. Ces résultats constituent un support de discussion entre les différents acteurs d’un projet de construction.Industrialised countries are seeking to reduce their energy consumption and to use alternative raw materials, including renewables such as wood. To promote its use, multi-storey timber constructive systems need the development of new design methods.Building required a multicriteria design where conflicting objectives must be optimised simultaneously. Research solutions have to achieve the best Pareto-compromise between use performance and environmental impact of the building. This work aims to develop a multiobjective optimisation method of timber multi-storey building.The objectives of maximising floor vibration comfort and minimising heating needs, thermal discomfort, global warming potential and embodied energy are taken into account. A multi-objective particle swarm optimization algorithm is used to obtain a set of non-dominated solutions which is the Pareto front. The solution space is constrained by regulatory requirements necessary for the safety of the structure. All objective-functions are modelled as analytic functions. Dynamic thermal simulation model outputs are replaced by metamodels.The developed method is implemented on a case study. The results offer a great diversity in a panel of 20 000 optimal solutions. These results provide a basis for discussion between the different actors of a construction project

Development of a multiobjective optimisation method for timber building : consideration of user comfort, environmental impact and structural safety

Les pays industrialisés cherchent aujourd’hui à réduire leur consommation d'énergie et à utiliser des matières premières de substitution, notamment renouvelables dont le bois fait partie. Pour promouvoir son usage, le développement de méthodes favorisant son recours dans les systèmes constructifs pour la construction multiétage est nécessaire.La conception d’un bâtiment est multicritère. Des objectifs contradictoires sont à optimiser simultanément. Des solutions de compromis Pareto-optimaux sont par exemple recherchées entre l’atteinte des meilleures performances d’usage et la limitation de l’impact environnemental du bâtiment. Ces travaux portent ainsi sur le développement d’une méthode d’optimisation multiobjectif de systèmes constructifs bois adaptés au multiétage.Des objectifs de maximisation du confort vibratoire des planchers et de minimisation des besoins de chauffage, d’inconfort thermique, de potentiel de réchauffement climatique et d’énergie grise sont pris en compte. La méthode repose sur un algorithme d’optimisation multiobjectif par essaim particulaire capable de proposer un ensemble de solutions non-dominées constituant le front de Pareto. L’espace des solutions est contraint par des exigences réglementaires nécessaires à la sécurité de l’ouvrage. L’ensemble des fonctions-objectif est modélisé sous forme de fonctions analytiques. Les sorties d’intérêt du modèle de simulation thermique dynamique sont substituées par des métamodèles.La méthode développée est mise en oeuvre sur un cas d’étude. Les résultats obtenus offrent une grande diversité dans un panel de 20 000 solutions optimales. Ces résultats constituent un support de discussion entre les différents acteurs d’un projet de construction.Industrialised countries are seeking to reduce their energy consumption and to use alternative raw materials, including renewables such as wood. To promote its use, multi-storey timber constructive systems need the development of new design methods.Building required a multicriteria design where conflicting objectives must be optimised simultaneously. Research solutions have to achieve the best Pareto-compromise between use performance and environmental impact of the building. This work aims to develop a multiobjective optimisation method of timber multi-storey building.The objectives of maximising floor vibration comfort and minimising heating needs, thermal discomfort, global warming potential and embodied energy are taken into account. A multi-objective particle swarm optimization algorithm is used to obtain a set of non-dominated solutions which is the Pareto front. The solution space is constrained by regulatory requirements necessary for the safety of the structure. All objective-functions are modelled as analytic functions. Dynamic thermal simulation model outputs are replaced by metamodels.The developed method is implemented on a case study. The results offer a great diversity in a panel of 20 000 optimal solutions. These results provide a basis for discussion between the different actors of a construction project

Suivi in situ du comportement thermohydrique d'une paroi d'une maison à énergie positive à ossature bois

Le travail présenté porte sur l'étude de la réponse thermohydrique in situ de la paroi Est d'une maison à énergie positive : Sumbiosi. Elle y est soumise aux conditions climatiques extérieures de la région bordelaise. Cette paroi est instrumentée à l'aide de thermocouples et de capteurs d'humidité. Le positionnement des capteurs permet de suivre le comportement hygrothermique de la paroi en partie courante et au niveau d'un pont thermique. L'acquisition des données expérimentales a débuté en fin d'année 2014. Les premiers résultats sont ici présentés. Les dynamiques d'évolution et les profils de température et d'humidité relative au sein de la paroi sont ainsi identifiés. Les différentes couches de matériaux à base de fibre de bois jouent leur rôle de tampon thermohydrique en limitant les fluctuations climatiques extérieures. L'exploitation de ces données permet une meilleure compréhension du comportement hygrothermique des enveloppes à ossature bois. A ce titre, la comparaison des résultats numériques et expérimentaux permet de mieux appréhender les limites de la modélisation

Optimisation multi-objectif de planchers intermédiaires bois tenant compte d'objectifs mécaniques et environnementaux

Afin d'optimiser simultanément l'épaisseur des planchers intermédiaires bois, leur niveau de confort vibratoire et leur impact sur l'environnement, un processus d'optimisation multi-objectif par essaim particulaire a été mis en œuvre. Dans un premiers temps les objectifs à optimiser, le cas d'étude et la méthodologie employée sont décrits. La modélisation des fonctions-objectif est ensuite réalisée. Les résultats sont alors présentés et discutés

Design of multi-story timber building using multi-objective particle swarm optimization

This paper presents a design method for multi-story timber building with consideration of regulatoryconstraints. The objective is to optimize in the same time thermal, structural and environmental objectives taking into account the industrial feasibility. To set up this method and the appropriate tool a study case is developed and will be implemented

Méthode d'optimisation de systèmes constructifs bois adaptés aux bâtiments à très hautes performances énergétiques associant thermique et mécanique à des critères de faisabilité industrielle.

Afin d'optimiser la composition de l'enveloppe et du système constructif des bâtiments bois multi-étages en traitant simultanément les besoins de chauffage, l'inconfort thermique, le niveau de confort vibratoire des planchers intermédiaires et l'impact sur l'environnement, un processus d'optimisation multi-objectif par essaim particulaire a été mis en œuvre. Tout d'abord les objectifs à optimiser, les variables considérées et la méthodologie employée sont décrits. La modélisation des fonctions-objectif est ensuite réalisée. Les résultats sont alors présentés et discutés.  </p