Introduction : Le bâtiment comme système
Un bâtiment est un système complexe qui doit satisfaire de nombreuses exigences : fonctionnelles (usage), techniques (structure, réseaux), réglementaires (sécurité, accessibilité) et environnementales (RE2020). L'analyse de bâtiment permet de comprendre comment ces exigences sont satisfaites par la conception architecturale et technique.
Exemple concret : une école primaire doit offrir des salles de classe lumineuses (fonction pédagogique), des circulations sécurisées (réglementation ERP), une isolation thermique performante (RE2020), et une ventilation adaptée (qualité de l'air intérieur).
Exemple réel - Lycée International Nelson Mandela (Nantes, 2014) :
Surface : 25 000 m² SHON | Coût : 72 M€ | Label BBC Effinergie
Bbio = 42 points | Cep = 48 kWhep/m²/an | Structure mixte bois-béton
Conception bioclimatique : atrium vitré, brise-soleil orientables, toiture végétalisée
1. Les Fonctions d'un Bâtiment
Chaque bâtiment répond à des fonctions principales liées à son usage et des fonctions de service qui assurent son fonctionnement.
1.1 Fonctions principales par type de bâtiment
Logement
- • Habiter (séjour, chambre)
- • Se nourrir (cuisine)
- • Se laver (salle de bain)
- • Ranger (rangements, garage)
- • Surface min. habitable (loi Carrez)
Tertiaire
- • Travailler (bureaux, open space)
- • Se réunir (salles de réunion)
- • Accueillir (hall, réception)
- • Archiver (locaux techniques)
- • Ratio : 10-12 m²/poste de travail
Enseignement (ERP type R)
- • Enseigner (salles de classe)
- • Pratiquer (ateliers, gymnase)
- • Restaurer (cantine)
- • Administrer (bureaux direction)
- • Surface : 2 m²/élève en classe
Industriel (ERP type J/ICPE)
- • Produire (ateliers, chaînes)
- • Stocker (entrepôts)
- • Expédier (quais de chargement)
- • Maintenir (locaux techniques)
- • Hauteur libre : 6-12 m
1.2 Fonctions de service (tous bâtiments)
Couloirs (1.40m min PMR), escaliers, ascenseurs
Naturel (FLJ > 2%) et artificiel (300-500 lux)
CVC, PAC, géothermie (T° : 19-26°C)
VMC SF/DF, CTA (25-30 m³/h/pers)
ECS (55°C anti-légionelle), eau froide
TGBT, tableaux divisionnaires (NF C 15-100)
1.3 Réglementation ERP (Établissement Recevant du Public)
| Type ERP | Activité | Catégorie 1 | Exigences spécifiques |
|---|---|---|---|
| J | Structures d'accueil personnes âgées | > 1500 pers | SSI catégorie A, désenfumage |
| L | Salles de spectacles | > 1500 pers | Acoustique, issues de secours |
| M | Magasins, centres commerciaux | > 1500 pers | Sprinklage, compartimentage |
| R | Enseignement | > 1500 pers | UP, éclairage de sécurité |
| W | Bureaux | > 1500 pers | Désenfumage, accès PMR |
2. Organisation Spatiale
L'analyse spatiale décompose le bâtiment en zones fonctionnellesregroupant des espaces ayant des usages similaires.
2.1 Zonage fonctionnel
EXEMPLE : Maison individuelle RE2020 (110 m² SHAB)
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NORD (services, zones tampons)
┌─────────────────────────────────────────┐
│ ZONE NUIT │
│ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌───────────┐ │
│ │ Ch.1 │ │ Ch.2 │ │ SdB │ │
│ │ 12 m² │ │ 10 m² │ │ 6 m² │ │
│ │ U=0.18 │ │ U=0.18 │ │ VMC 30m³/h│ │
│ └─────────┘ └─────────┘ └───────────┘ │
├─────────────────────────────────────────┤
│ CIRCULATION (couloir 1.20m, 8 m²) │
│ Éclairage LED 100 lux, détecteur │
├─────────────────────────────────────────┤
│ ZONE JOUR │
│ ┌───────────────────────┐ ┌─────────┐ │
│ │ Séjour │ │ Cuisine │ │
│ │ + salle à manger │ │ 12 m² │ │
│ │ 35 m² │ │ VMC exp │ │
│ │ Baies Sud Sw=0.5 │ │ 45m³/h │ │
│ └───────────────────────┘ └─────────┘ │
└─────────────────────────────────────────┘
SUD (apports solaires gratuits)
Bbio = 58 points | Cep = 52 kWhep/m²/an
Surface vitrée Sud : 25% façade (optimal)2.2 Indicateurs spatiaux réglementaires
| Indicateur | Définition (Code de l'urbanisme) | Exemple logement 110 m² |
|---|---|---|
| SHAB | Surface habitable (h > 1.80m, hors murs/cloisons) | 95 m² (loi Carrez : vente) |
| SDP | Surface de plancher (clos + couvert, h > 1.80m) | 110 m² (permis de construire) |
| SHON RT | Surface thermique RE2020 (calcul Bbio, Cep) | 115 m² (inclut combles aménagés) |
| Emprise au sol | Projection verticale du bâti (CES = E/P) | 85 m² (CES = 0.17 pour 500 m²) |
| Hauteur | À l'égout ou au faîtage (PLU) | 6.50 m égout, 9.20 m faîtage |
Attention DTU 20.1 (Ouvrages en maçonnerie) :
Hauteur sous plafond minimale : 2.50 m (pièces principales) | 2.20 m (pièces de service)
Surface minimale pièce habitable : 9 m² avec hauteur > 2.20 m (décret décence)
3. Analyse des Flux
Un bâtiment est traversé par différents flux qu'il faut organiser pour optimiser son fonctionnement et sa performance.
Flux de personnes
- • Entrées/sorties (accès principal, secours)
- • Circulations horizontales (couloirs 1.40m PMR)
- • Circulations verticales (escaliers, ascenseurs)
- • Évacuation : 1 UP = 0.60m = 100 personnes
- • Distance max issue secours : 40m (cul-de-sac)
Flux d'énergie
- • Électricité (TGBT → tableaux → prises)
- • Chaleur (chaufferie → réseau → émetteurs)
- • Solaire passif (apports gratuits fenêtres Sud)
- • Pertes thermiques : Q = U × S × ΔT
- • Objectif RE2020 : Cep < 75 kWhep/m²/an
Flux de fluides
- • Eau froide (compteur → distribution)
- • ECS (production → bouclage T > 50°C)
- • Eaux usées (EU) : pente 1-3 cm/m
- • Eaux vannes (EV) : pente 2-3 cm/m
- • Eaux pluviales (EP) : récupération 5000L
Flux d'air
- • Air neuf (entrées d'air, CTA)
- • Air vicié (extraction VMC : 15-135 m³/h)
- • Infiltrations : n50 < 0.6 vol/h (RE2020)
- • Surventilation nocturne (free cooling)
- • CO₂ max : 1000 ppm (qualité air)
3.1 Débits de ventilation réglementaires (arrêté du 24/03/1982)
| Logement | Cuisine | SdB/WC | Total réduit | Total nominal |
|---|---|---|---|---|
| T1 (1 pièce) | 75 m³/h | 15 m³/h | 10 m³/h | 35 m³/h |
| T3 (3 pièces) | 105 m³/h | 30 m³/h | 20 m³/h | 75 m³/h |
| T5 (5 pièces) | 135 m³/h | 45 m³/h | 30 m³/h | 105 m³/h |
4. L'Enveloppe Thermique
L'enveloppe thermique est la frontière entre l'intérieur chauffé et l'extérieur. Sa performance conditionne les besoins énergétiques du bâtiment.
4.1 Calcul de la résistance thermique R
// Résistance thermique d'une couche homogène
R = e / λ [m²·K/W]
e : épaisseur [m], λ : conductivité thermique [W/m·K]
// Résistance totale d'une paroi multicouche
R_totale = Rsi + Σ(ei/λi) + Rse
Rsi = 0.13 m²·K/W (intérieur), Rse = 0.04 m²·K/W (extérieur)
// Coefficient de transmission thermique U
U = 1 / R_totale [W/m²·K]
// EXEMPLE : Mur isolé ITE (Isolation Thermique par l'Extérieur)
Parpaing 20cm (λ=1.0) : R1 = 0.20/1.0 = 0.20
PSE 16cm (λ=0.032) : R2 = 0.16/0.032 = 5.00
Enduit 1.5cm (λ=1.3) : R3 = 0.015/1.3 = 0.01
R_total = 0.13 + 0.20 + 5.00 + 0.01 + 0.04 = 5.38 m²·K/W
U = 1/5.38 = 0.186 W/m²·K ✓ RE2020
4.2 Exigences RE2020 et comparaison labels
| Paroi | RE2020 (Umax) | BBC Effinergie | Passivhaus | R minimum |
|---|---|---|---|---|
| Murs extérieurs | 0.23 W/m²·K | 0.20 W/m²·K | 0.15 W/m²·K | R > 4.0 |
| Toiture/Combles | 0.17 W/m²·K | 0.14 W/m²·K | 0.10 W/m²·K | R > 6.0 |
| Plancher bas | 0.25 W/m²·K | 0.22 W/m²·K | 0.15 W/m²·K | R > 3.5 |
| Fenêtres (Uw) | 1.3 W/m²·K | 1.1 W/m²·K | 0.8 W/m²·K | Triple vitrage |
4.3 Indicateur Bbio (Besoin bioclimatique)
// Formule Bbio RE2020
Bbio = 2 × Bchauff + 2 × Bfroid + 5 × Beclairage [points]
Bchauff : besoins de chauffage [kWh/m²]
Bfroid : besoins de refroidissement [kWh/m²]
Beclairage : besoins d'éclairage artificiel [kWh/m²]
// Exigence RE2020 maison individuelle
Bbio_max = Bbio_maxmoyen × (1 + Mbgéo + Mbalt + Mbsurf)
Zone H1 : Bbio_max ≈ 65 points
Zone H2 : Bbio_max ≈ 63 points
Zone H3 : Bbio_max ≈ 55 points
Comment réduire le Bbio :
• Orientation Sud des baies vitrées (apports solaires gratuits)
• Isolation renforcée (U murs < 0.20, combles < 0.15)
• Compacité du bâtiment (minimiser surface d'échange)
• Inertie thermique (masse béton, terre crue)
• Protections solaires (brise-soleil, débord de toiture)
4.4 Ponts thermiques (DTU 31.2 et règles Th-Bât)
| Type de pont thermique | Ψ typique (W/m·K) | Ψ max RE2020 | Solution |
|---|---|---|---|
| Liaison mur/plancher | 0.40 - 0.60 | 0.30 | Rupteur Schöck, planelle isolante |
| Liaison mur/refend | 0.15 - 0.25 | 0.15 | ITE continue, retour isolation |
| Angle sortant | 0.05 - 0.10 | 0.08 | Surépaisseur isolant angle |
| Appui de fenêtre | 0.10 - 0.20 | 0.12 | Appui isolant, retour ITE |
5. Exemples de Bâtiments Remarquables
Tour Elithis Danube (Strasbourg, 2018) - Immeuble BEPOS
Premier immeuble d'habitation à énergie positive en France
- • 63 logements sur 17 étages | 5 400 m² SHAB
- • Bbio = 35 points (-45% vs RT2012)
- • Cep = -1 kWhep/m²/an (production > consommation)
- • 1 200 m² de panneaux PV en façade
- • Triple vitrage Uw = 0.8 W/m²·K | U murs = 0.15 W/m²·K
Groupe scolaire Pajol (Paris 18e, 2013) - BBC Effinergie
École primaire et maternelle bas carbone
- • 450 élèves | 4 500 m² | Coût : 18 M€
- • Cep = 42 kWhep/m²/an (label BBC-Effinergie)
- • Structure bois lamellé-collé (stockage carbone : -180 kgCO₂/m²)
- • Toiture végétalisée 2 000 m² (gestion EP + inertie)
- • Géothermie sur sondes (couverture 60% besoins thermiques)
La Cité du Vin (Bordeaux, 2016) - Architecture bioclimatique
Musée ERP catégorie 1 - Forme iconique inspirée du vin
- • 14 000 m² | 55 m de hauteur | 81 M€
- • Façade double peau ventilée (protection solaire + acoustique)
- • 900 panneaux aluminium + 2 300 m² verre feuilleté
- • Free cooling nocturne + géothermie nappe
- • Certification HQE Bâtiment Tertiaire niveau Excellent
Résumé
- 1Un bâtiment remplit des fonctions principales (usage) et de service (réseaux, circulations).
- 2L'organisation spatiale se décrit par zones et indicateurs (SHAB, SDP, SHON RT, emprise).
- 3Les flux (personnes : 1UP=100pers, énergie, fluides, air : 25-30 m³/h/pers) doivent être optimisés.
- 4Résistance thermique : R = e/λ, U = 1/R — RE2020 : U murs < 0.23, Uw < 1.3 W/m²·K
- 5Bbio RE2020 = 2×Bchauff + 2×Bfroid + 5×Béclairage — Maison : Bbio_max ≈ 63 points (H2)
Mini-Quiz
1. Quelle est la relation entre U et R ?
→ U = 1/R — Plus R est grand, plus U est petit (meilleure isolation)
2. Quelle est la valeur Uw maximale pour une fenêtre RE2020 ?
→ Uw ≤ 1.3 W/m²·K (triple vitrage recommandé : ~0.8)
3. Que caractérise le Bbio et quelle est sa formule ?
→ La qualité intrinsèque de l'enveloppe — Bbio = 2×Bchauff + 2×Bfroid + 5×Béclairage
4. Combien de personnes peut évacuer une Unité de Passage (UP) ?
→ 1 UP = 0.60 m de largeur = 100 personnes (réglementation ERP incendie)
5. Quel est le débit de ventilation minimal pour une cuisine de T3 ?
→ 105 m³/h en pointe (arrêté du 24/03/1982, extraction VMC)
6. Comment calculer la résistance thermique R d'un isolant de 14 cm avec λ = 0.035 W/m·K ?
→ R = e/λ = 0.14/0.035 = 4.0 m²·K/W
