L’architecture du gratte-ciel : le complexe de l’édifice

L’architecture du gratte-ciel : le complexe de l’édifice

L’Almanach Cousteau de l’Environnement – Boire, manger, respirer – pages 542-544

Construction de l’Empire State Building

Au cours de son histoire, l’homme a su (a du) s’adapter à son environnement pour construire son habitation, en utilisant de façon souvent ingénieuse les matériaux disponibles localement (sable, argile, bois, pierre…). La hauteur des bâtiments, généralement en dessous de 6 étages, était limitée par la résistance mécanique des matériaux et par un nombre d’escaliers jugé supportable. Les architectes ont néanmoins réussi à construire de gigantesques monuments tels que les cathédrales d’Europe, le Temple d’Angkor, les pyramides mayas et égyptiennes…

A partir du milieu du XIXème siècle, de nouvelles technologies ont permis de lever la plupart des restrictions imposées aux architectes et d’ériger des habitations d’une hauteur jusqu’alors inaccessible. Ces nouveaux bâtiments avaient comme défaut majeur d’être très gourmands en énergie, en particulier pour le chauffage et l’éclairage. Dans les années 70, le bâtiment était responsable de près de 40% de la consommation d’énergie des USA. A partir de la première crise pétrolière de 1973, cette demande énergétique est devenue difficilement supportable.

Parmi les technologies qui ont permis d’établir les règles de l’architecture moderne on peut citer :

  • Le premier ascenseur moderne a été installé en 1857 dans un immeuble de New-York par son inventeur, Elisha Otis. Il était plutôt lent (14 m/min) comparé aux engins des années 70 (jusqu’à 366 m/min). Il faut savoir qu’un ascenseur est très gourmand en énergie, même à l’arrêt puisque près 60% de l’électricité est gaspillée par les panneaux de commande en continuel stand-by et que de nombreuses cabines restent éclairées même quand il n’y a personne à l’intérieur. L’installation d’ascenseurs modernes, moins énergivores que les plus anciens (1200 contre 3400 KWh/an), devraient permettre d’atténuer la facture, mais le renouvellement du parc est très long, en particulier en France où la moitié a plus de 25 ans (c’est le parc le plus ancien d’Europe). Les 530.000 ascenseurs installés en France utiliseraient entre 5 et 8% de la consommation des bâtiments. Aujourd’hui, les ascenseurs les plus rapides, ceux équipant les tours les plus hautes, peuvent atteindre une vitesse ascensionnelle de plus de 1000 m/min.
  • Avant l’invention des architectures métalliques, en fer puis en acier, les murs en maçonneries devaient supporter seuls le poids des étages. Il fallait des murs si épais au-delà d’une quinzaine d’étages, que le coût de construction en devenait ruineux. Les poutres et poutrelles d’acier ont permis de concevoir à des coûts raisonnables des bâtiments avec des formes et des dimensions qui semblaient sans limites. Dans les années 70-80 certains architectes ont trouvé leur inspiration dans la technologie contemporaine et l’esthétique industrielle. L’un des exemples les plus connus de ce mouvement “High-tech” est le Centre National d’Art et de Culture Georges-Pompidou, construit par les architectes Renzo Piano et Richard Rogers entre 1970 et 1977. Les infrastructures n’étaient plus dissimulées derrières les façades, mais contribuaient à l’esthétique du bâtiment.
  • Puisqu’avec une charpente métallique une structure porteuse externe n’était plus indispensable, il était possible de construire des bâtiments avec des façades de verre laissant pénétrer la lumière… mais aussi le froid et la chaleur. La régulation de la température intérieure nécessita d’installer des équipements très gourmands en énergie. Un mur rideau, construit sur une ossature aluminium ou en acier avec remplissages vitrés, enveloppait un bâtiment pour assurer son étanchéité à l’eau et à l’air, sans participer à sa résistance mécanique. Pour améliorer leurs performances en matière d’isolation thermique, les “boucliers thermiques” qui réduisent l’apport de chaleur par rayonnement, tout en maximisant le passage de la lumière naturelle, se sont généralisés. Dernière évolution, le mur-rideau respirant possède un espace d’air en contact vers l’extérieur entre les vitrages qui permet de cacher un store améliorant l’isolation thermique.
  • Après la Seconde Guerre Mondiale, des systèmes mécaniques de plus en plus complexes d’éclairage, de ventilation et de climatisation équipèrent les nouvelles constructions. Désormais, le renouvellement d’air et l’arrivée de lumière n’étaient plus limités par la surface de fenêtres et la superficie des appartements. augmenta considérablement ; l’énergie servait à créer artificiellement des conditions de vie confortables. Le confort aéraulique d’un bâtiment est assuré par les équipements de chauffage, ventilation et climatisation (CVC). La plupart des progrès technologiques dans ce domaine ont eu pour principal objectif de réduire la consommation énergétique : chaudières hybrides (couplage chaudière à condensation + pompe à chaleur), chaudières à cogénération, VMC double flux, ventilation hybride (naturelle et mécanique), chauffe-eau thermodynamiques, énergie solaire… Une autre approche est de limiter les consommations énergétiques au strict nécessaire. Des capteurs de présence ou de gaz carbonique  permettent de réguler climatisation, chauffage et éclairage en fonction du nombre de personne dans une pièce, tandis que des capteurs solaires limitent l’éclairage lorsque la luminosité naturelle est suffisante.
  • Les charpentes métalliques ont permis de créer des espaces intérieurs modulables, avec des cloisons qui n’étaient plus porteuses et que l’on pouvait déplacer selon les besoins. Puisque l’emplacement des cloisons n’était pas définitif, les installations d’éclairage et de ventilation devaient être en mesure de s’adapter à toutes les configurations possibles, ce qui entraina un énorme gaspillage d’énergie : certaines pièces non occupées étaient éclairées ou chauffées en même temps que l’ensemble de l’étage. Aujourd’hui, il est possible d’optimiser la performance énergétique d’un bâtiment en adaptant finement, pièce par pièce, l’environnement intérieur aux activités et au confort des occupants présents. Même les bâtiments sont devenus intelligents.
  • La régularisation de la température des immeubles modernes était centralisée au niveau de systèmes consommant des quantités incroyables d’énergie. Ces centrales commençaient par refroidir l’air (13-16°C) avant de l’envoyer à chaque étage et de le réchauffer aux températures désirées. Ce gaspillage était rapidement devenu économiquement insupportable après la crise pétrolière. En 2017, selon l’Agence Internationale de l’Energie, environ 1,6 milliard de climatiseurs étaient installés dans le monde, contribuant paradoxalement au réchauffement climatique global. Le problème semble devoir empirer, puisqu’environ 135 millions d’unités sont vendues chaque année (trois fois plus qu’en 1990) et que la demande pourrait pratiquement doubler d’ici à 2050 et engendrer, à mix énergétique constant, des émissions annuelles supplémentaires de près de 2,5 milliards de tonnes d’équivalent CO2 (AIE).
  • Les matériaux de construction aussi ont connu leur révolution. Les châssis de fenêtres en aluminium ont remplacé ceux en bois, les dalles en vinyle ou en PVC ont remplacé les parquets en bois et les dalles de pierre… Ces nouveaux matériaux à base de produits pétroliers exigeaient d’avantage d’énergie pour leur fabrication. Il fallait cinq fois plus d’énergie pour produire un kilogramme d’aluminium qu’un kilogramme d’acier. Cette énergie nécessaire à l’extraction des matières premières, à la fabrication, au transport et à l’élimination (ou au recyclage) des matériaux de construction est ce qu’on appelle couramment “l’énergie grise”. L’énergie grise de l’acier peut être estimée à 60000 kWh/m³, alors que celle de l’aluminium atteint 190000 kWh/m³. Le béton armé (1850 kWh/m³) demande beaucoup plus d’énergie que le béton cellulaire (200 kWh/m³). Un enduit argile (30 kWh/m³) contient cent fois moins d’énergie qu’un enduit synthétique (3300 kWh/m³). Les coûts de transport impactent de plus en plus les coûts énergétiques des matériaux de construction. Les matériaux locaux peu transformés ont  un  net  avantage  (argile, chanvre,  paille,  bois, cellulose, laine … ) et on retrouve ainsi la logique des premiers bâtisseurs.

World Trade Center

Les gigantesques centrales de chauffage/refroidissement des édifices, l’éclairage surdimensionné et les ascenseurs, non seulement consommaient beaucoup d’énergie, mais dissipaient de la chaleur propre qui avait tendance à réchauffer l’air extérieur. Les îlots de chaleur créés au cœur des villes avaient du mal à être évacués pendant la nuit, surtout lorsqu’il n’y avait pas assez d’espaces verts jouant un rôle de régulation, comme c’était le cas dans des villes tentaculaire telles que Los Angeles. La consommation urbaine d’énergie de New York aurait fortement progressé après la construction du premier bâtiment à murs de verre en 1952, la “Lever House”. Selon l’Office New-yorkais de la construction, la consommation énergétique au mètre carré aurait doublé entre 1950 et 1969 (mais l’apparition de façades en verre n’est pas le seul paramètre explicatif). Ce phénomène d’ilots de chaleur va devenir particulièrement préoccupant dans les pays chauds, avec le réchauffement climatique. Les personnes les plus fragiles (personnes âgées ou malades) sont en danger en cas de vague de chaleur dès lors que la nuit ne permet plus de refroidir l’atmosphère. C’est ce phénomène qui en 2003 avait fait plus de 70000 morts en Europe. Pour réduire la chaleur urbaine, différentes approches peuvent être envisagées : créer des espaces verts, faire circuler de l’eau, peindre les façades et les toits de manière à ce qu’ils réfléchissent la lumière du soleil, planter des arbres sur les toits, végétaliser les façades…

La consommation énergétique des immeubles n’était pas considérée comme un critère important par les architectes des années 60. Les promoteurs se concentraient sur les coûts de construction et laissaient aux acheteurs les factures d’énergie. Il fallait des années pour modifier les pratiques architecturales et les constructions étaient prévues pour durer au moins une cinquantaine d’années. Les standards concernant le dimensionnement des installations de chauffage/climatisation et d’électricité étaient établis par les sociétés qui vendaient et installaient ces équipements… et n’hésitaient donc pas à les sur-dimensionner. L’exigence des consommateurs pour obtenir tout le confort qu’offraient les progrès technologiques, ne contribuait pas non plus aux économies d’énergie. C’est ainsi que la climatisation était devenue indispensable.

A la fin des années 70, crise pétrolière aidant, les architectes commençaient à concevoir à nouveau des édifices qui tenaient compte des performances énergétiques et de l’environnement. Par exemple, le Plaza d’IBM à Southfield (Michigan) avait été construit avec des murs argentés au Sud et à l’Ouest pour réfléchir la lumière estivale et des murs noirs au Nord et à l’Est pour absorber la chaleur en hiver.

Tour Elithis Danube

Il est aujourd’hui possible de concevoir des immeubles d’habitation à énergie positive. C’est en tout cas ce que démontre la toute nouvelle tour Elithis Danube de Strasbourg, imaginée par l’agence d’architecture XTU ; une première mondiale. La tour est capable de dégager un léger excédent entre production et consommation d’énergie (consommation annuelle d’énergie primaire d’environ 88,3 Kwhep/m2 et production d’énergie renouvelable de 90,1 Kwh). Pour réaliser cette performance, l’architecture a été conçue selon une approche “bioclimatique”. La large façade Sud supporte d’amples baies vitrées pour emmagasiner l’énergie du soleil, tandis que la façade Nord en forme de “proue” permet de réduire l’exposition au vent et au froid. La nouvelle tour est truffée d’astuces pour réduire la consommation d’énergie : isolation extérieure en laine de verre de 20 cm d’épaisseur, ventilation double flux… La fourniture d’énergies renouvelables est assurée par des panneaux photovoltaïques sur le toit (1 400 m2) et sur les façades Sud et Est, mais aussi par le réseau de chaleur urbain local (70 % d’énergie biomasse). La nouvelle tour strasbourgeoise de 57 mètres de haut (16 étages) aura nécessité un investissement total de 20 millions d’euros.

Les auteurs de l’Almanach Cousteau faisaient le vœu que les nouvelles exigences écologiques permettraient aux architectes d’inventer des immeubles avec des formes plus originales que de simples cubes, parfaitement adaptées à leur environnement. Ils avaient raison d’y croire, mais le changement sera très long. Les architectes savent maintenant concevoir des tours avec un impact énergétique minimal. Il reste à convaincre les promoteurs immobiliers et les politiques…

 

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