MANUEL UTILISATEUR & TUTORIEL ILLUSTRÉ (FORMAT GOOGLE DOCS)

Cas d’étude fil rouge : L’Île de Nantes — Situation Actuelle (Prairie au Duc, Les Nefs Dubigeon, ENSA Nantes, Palais de Justice, CHU) • Données : OpenStreetMap 3D (525 bâtiments) & Météo EPW Nantes-Atlantique (8 760 h) • Interface : Bilingue Français (FR) / Anglais (EN)

CHAPITRE 1 • INTENTION INITIALE & PROMPT FONDATEUR

1. De l’Intention Initiale du Prompt au Cas d’Étude de l’Île de Nantes (Situation Actuelle)

Pourquoi cette application a été conçue : transformer la physique microclimatique urbaine en un outil de dialogue architectural transparent, rapide et directement exploitable en atelier de projet.

L’intention initiale formulée dans le cahier des charges fondateur (« Universal Master Prompt — Urban Heat-Stress / Outdoor Comfort Screening App ») part d’un constat pédagogique et professionnel fort : les outils de simulation microclimatique traditionnels (CFD 3D lourde, moteurs radiatifs complexes) sont souvent trop lents, opaques ou difficiles à paramétrer lors des premières phases d’esquisse urbaine et architecturale.

L’objectif de cette application est donc de fournir aux étudiants en architecture (notamment à l’ENSA Nantes), aux urbanistes et aux collectivités un banc d’essai microclimatique interactif (« Screening & Design-Conversation Tool ») qui croise instantanément : (1) la géométrie réelle des bâtiments en 2D/3D issue d’OpenStreetMap, (2) un fichier météo horaire EnergyPlus (.epw) de 8 760 heures, (3) le calcul géométrique vectorisé des ombres portées heure par heure, (4) l’atténuation du vent à hauteur piétonne (1,5 m) et (5) l’indice universel du climat thermique (UTCI en °C).

Conformément aux évolutions demandées pour ancrer l’outil dans un contexte urbain concret, l’application s’ouvre par défaut en priorité sur la situation actuelle de l’Île de Nantes (secteur Prairie au Duc / Parc des Chantiers / Quai François Mitterrand), avec 525 bâtiments et volumes OpenStreetMap 3D pré-chargés et une interface intégralement bilingue (Version Française / English Version).

Figure 1 — Vue générale de l’application au démarrage sur le site prioritaire pré-chargé de l’Île de Nantes (Prairie au Duc, Les Nefs Dubigeon, ENSA Nantes, Palais de Justice) le 19 juillet à 15h00 avec le bâti OpenStreetMap 3D actif.

• Refus de la « boîte noire » (Anti-Black-Box) : Chaque résultat thermique ou score d’implantation d’abri affiche ses composantes physiques sous-jacentes (Température de l’air Ta, Température radiante moyenne Tmrt, état d’ombre 0/1, vitesse du vent à 1,5 m et distance aux façades).
• Priorité OpenStreetMap & Relief OSM 3D : Utilisation prioritaire du fond de carte OpenStreetMap Standard et extrusion 3D temps réel des empreintes de bâtiments selon la hiérarchie stricte des hauteurs OSM (tag height explicite, puis building:levels × 3,0 m, puis repli à 6,0 m).
• Autonomie Locale & En Ligne : Grâce au pré-chargement des 525 bâtiments OSM 3D de l’Île de Nantes et du fichier météo annuel de Nantes-Atlantique (8 760 h), l’application fonctionne immédiatement sans clé API et même hors-connexion.

Point clé méthodologique du Prompt initial

L’application affiche toujours un véritable champ de valeurs physiques maille par maille (en °C, m/s ou heures), et jamais une « carte de chaleur de densité » (density heatmap) qui additionnerait artificiellement les températures lorsque l’on dézoome.

CHAPITRE 2 • MENUS DE PARAMÉTRAGE (PANNEAU LATÉRAL 01 À 05)

2. Description Complète des Menus du Panneau Latéral Gauche (Sections 01 à 05)

Le panneau latéral gauche regroupe dans un ordre séquentiel logique les 5 familles de paramètres permettant de piloter l’ensemble des simulations sur l’Île de Nantes ou sur tout autre quartier dans le monde.

En haut du panneau latéral (ainsi que dans la barre supérieure), un sélecteur bilingue permet de basculer instantanément entre « Version Française » et « English Version » sans perdre la simulation en cours ni les cellules sélectionnées sur la carte.

Les cinq menus numérotés de 01 à 05 guident l’utilisateur depuis l’entrée climatique jusqu’au calibrage physique fin :

Figure 2 — Détail des 5 menus du panneau latéral gauche : (01) Données météo .epw, (02) Site & Empreintes OpenStreetMap 3D avec statistiques de hauteurs, (03) Étude saisonnière Soleil & Vent, (04) Implantation d’abris et (05) Paramètres physiques.

• Menu 01 — Données Météo (.epw) & Date d’Analyse : Permet de charger par glisser-déposer n’importe quel fichier météo EnergyPlus (.epw) ou d’utiliser le jeu de données pré-chargé de Nantes-Atlantique (8 760 h). Ne retient que les journées disposant des 24 heures complètes. Sélectionne par défaut la journée estivale la plus chaude (19 juillet à Nantes, Tmax = 36,1 °C, DNI max = 414 W/m²).
• Menu 02 — Site & Empreintes de Bâtiments (OpenStreetMap 3D) : Permet de choisir en 1 clic le site prioritaire « ★ Île de Nantes (OSM 3D) », « Barcelone (OSM 3D) » ou de rechercher toute ville/adresse via Nominatim ou par boîte englobante WGS84 (Ouest, Sud, Est, Nord). Affiche le décompte exact des sources de hauteur sur l’Île de Nantes et vérifie les limites de sécurité (Rayon ≤ 600 m, Emprise ≤ 1 500 m, Grille 2 à 5 m ou 12 m, plafond strict de 80 000 cellules). Inclut également le réglage du Nord Vrai (0–360°).
• Menu 03 — Paramètres de l’Étude Saisonnière (Soleil & Vent) : Définit la plage d’heures (ex. 09:00–18:00), les mois étudiés (ex. Juin à Août) et le pas d’échantillonnage des jours (1, 2, 3, 5 ou 7 jours). Calcule en direct le nombre exact de lancers d’ombres (plafonné à 1 600 lancers pour garantir une exécution fluide).
• Menu 04 — Paramètres d’Implantation d’Abris (Shelter Siting) : Permet d’ajuster les poids (de 0 à 3) des 5 critères architecturaux (Stress thermique, Ombre existante, Préférence de vent, Espace ouvert, Accès rue/façade), la cible d’exposition au vent (0 = abrité à 1 = ventilé), le nombre d’abris candidats (3 à 15), l’espacement minimal entre deux abris (10 à 80 m) et le recul minimal par rapport aux façades (1 à 10 m).
• Menu 05 — Paramètres Physiques & Étalonnage (Avancé) : Donne accès aux constantes du modèle : exposant de rugosité urbaine du profil de vent (α = 0,22), absorptivité solaire des surfaces (0,65), coefficient d’échange convectif piéton (hc = 10,5 W/m²K) et surchauffe radiante maximale (+32 K).

Source de Hauteur OSM (Île de Nantes)	Règle de Calcul Appliquée	Exemples de Bâtiments sur le Site Pilote
1. Tag explicite height	Lecture directe en mètres dans OpenStreetMap	Les Nefs Dubigeon (25,0 m), Palais de Justice
2. Tag building:levels	Nombre de niveaux × 3,0 mètres par étage	Tribunal de Commerce (6 niv. = 18 m), Quai West (8 niv. = 24 m)
3. Valeur de repli (Fallback)	Hauteur forfaitaire de 6,0 m (R+1)	Pavillons bas, halles secondaires sans tag de hauteur

CHAPITRE 3 • CARTE INTERACTIVE & RELIEF OPENSTREETMAP 3D

3. Exploration Cartographique Multi-Couches & Maquette OpenStreetMap 3D

La carte centrale permet de superposer sur le fond OpenStreetMap les résultats physiques maille par maille, le relief 3D des bâtiments de l’Île de Nantes et les ombres portées calculées par lancer de rayons.

Toutes les 24 heures de simulation du jour sélectionné étant conservées en mémoire vive (TypedArrays Float32Array), le changement d’heure d’affichage, de couche cartographique, de mode de couleur (Auto-étiré au champ actif ou Bandes fixes de stress UTCI), de fond de plan ou d’inclinaison 3D est instantané et ne nécessite aucun recalcul.

Sur l’Île de Nantes (situation actuelle), l’activation du bouton « Relief OSM 3D » permet d’incliner la caméra (Pitch de 0° à 65°) et de faire pivoter l’azimut sur 360° pour visualiser comment les grands gabarits urbains — tels que les Nefs Dubigeon (25 m), l’ENSA Nantes, le Palais de Justice ou le CHU au nord-est — projettent leurs ombres portées sur l’espace public au fil de l’après-midi.

Figure 3 — Carte interactive en mode « Soleil Direct / Ombre Portée (15:00) » avec le Relief OpenStreetMap 3D incliné à 56° et l’infobulle d’inspection active sur la grande halle des Nefs Dubigeon (Hauteur = 25,0 m, toiture en sheds « sawtooth »).

• Inspection Interactive au Survol et au Clic : En survolant une maille extérieure, une infobulle affiche ses coordonnées exactes, son UTCI à l’heure choisie, son UTCI pic journalier, sa température radiante moyenne (Tmrt), son état d’ombre (Soleil/Ombre), la vitesse locale du vent à 1,5 m et sa distance à la façade la plus proche. En survolant un bâtiment 3D, son identifiant OSM, son nom, sa hauteur en mètres et la source de cette hauteur s’affichent.
• Ombrage par Contexte Élargi (Padded Shadow-Context Raster) : Les bâtiments situés juste en dehors de la boîte d’étude sont conservés dans une marge de contexte lors de la rastérisation afin que leurs ombres portées pénètrent correctement dans la zone d’analyse.

CHAPITRE 4 • RÉSULTATS : ONGLET 1 — POINTS CRITIQUES (HARSH SPOTS)

4. Résultats Obtenus : Détection des Îlots de Chaleur et Points Critiques (Onglet 1)

Identification automatique des espaces publics où le stress thermique dépasse un seuil critique pendant plusieurs heures consécutives sur l’Île de Nantes.

Conformément au cahier des charges scientifique, la définition standard d’un point critique (« Harsh Spot ») correspond à une maille extérieure où l’indice UTCI dépasse strictement 38,0 °C (seuil international du « stress thermique très fort ») pendant au moins 3 heures consécutives au cours de la même journée.

Lorsque le climat océanique tempéré de Nantes présente un pic estival légèrement inférieur à 38 °C (sur la situation actuelle de l’Île de Nantes le 19 juillet, le pic UTCI atteint 37,8 °C au soleil entre 14h00 et 16h00), l’utilisateur peut abaisser le curseur de seuil (plage 26 à 46 °C, par exemple à 35,0 °C ou 36,5 °C) et ajuster la persistance (1 à 8 h). L’interface affiche alors un bandeau explicite rappelant que 38 °C demeure la référence normative et que le seuil abaissé est un réglage exploratoire permettant de hiérarchiser les zones les plus chaudes du site.

Figure 4 — Onglet 1 « Points Critiques (Flagged Harsh Spots) » : réglage dynamique du seuil UTCI et de la persistance horaire, encadrement rouge des zones vulnérables sur la carte et tableau classé des mailles les plus exposées sur l’Île de Nantes.

Secteur de l’Île de Nantes (Situation Actuelle)	UTCI à 15:00	UTCI Pic Journalier	Durée Consécutive > 35 °C	Diagnostic Microclimatique
Parvis minéral au Sud-Ouest des Nefs / Parc des Chantiers	37,3 à 37,8 °C	37,8 °C	6 h (12h00–17h00)	Forte exposition solaire directe (9 h/j) + faible ombrage minéral
Esplanade ouverte Quai François Mitterrand / Palais de Justice	36,9 à 37,5 °C	37,6 °C	5 à 6 h (12h00–17h00)	Exposition solaire forte mais ventilation modérée par la Loire
Cœurs d’îlots denses Prairie au Duc (abri au vent)	37,1 à 37,7 °C	37,8 °C	6 h (12h00–17h00)	Atténuation de la brise de Loire par les façades au vent
Zones sous l’ombre portée Nord-Est des Nefs Dubigeon (H=25 m)	34,8 à 35,4 °C	35,8 °C	0 à 1 h	Gain thermique de -2,4 °C UTCI grâce à la suppression du DNI

CHAPITRE 5 • RÉSULTATS : ONGLET 2 — ÉTUDE SOLEIL & VENT SAISONNIÈRE

5. Résultats Obtenus : Étude Saisonnière Soleil & Vent et Sélection Multi-Cellules (Onglet 2)

Croisement de l’exposition solaire cumulée, de la rose des vents de Nantes-Atlantique et de l’effet de masque éolien des bâtiments sur une période multi-mensuelle.

L’onglet 2 élargit l’analyse d’une journée unique à une période saisonnière complète (par exemple l’ensemble de l’été Juin–Août entre 09h00 et 18h00). À l’échelle de toute l’Île de Nantes, il calcule le cumul des heures de soleil direct, la fraction d’ombre diurne, l’indice d’abri au vent en amont (Wind-Shelter Proxy de 0 à 1) et la vitesse locale estimée à 1,5 m du sol.

De plus, l’utilisateur peut cliquer directement sur la carte pour sélectionner jusqu’à 24 cellules d’intérêt (entourées d’un cadre blanc, avec un bouton explicite « Effacer la sélection » pour éviter toute perte accidentelle au clic). Le moteur ne lance alors les rayons d’ombre annuels que sur ces cellules ciblées, ce qui permet d’obtenir en une fraction de seconde :

Figure 5 — Onglet 2 « Étude Soleil & Vent » : carte des heures d’exposition solaire avec sélection multi-cellules (contours blancs), rose des vents mettant en évidence la dominante Ouest-Sud-Ouest (Loire) et matrice thermique Heure × Jour.

• Tableau comparatif par cellule sélectionnée : Affiche pour chaque maille ses heures de soleil cumulées, sa part d’ombre (%), son vent moyen à 1,5 m, son UTCI moyen/pic et le nombre d’heures dépassant le seuil critique.
• Graphiques journaliers & Heatmap Heure × Jour : Trace la série chronologique quotidienne d’ensoleillement et d’UTCI pic, ainsi qu’une matrice annuelle Heure × Jour permettant de visualiser d’un coup d’œil à quelles heures de la journée une place publique bascule dans l’ombre d’un bâtiment voisin selon le mois de l’année.

CHAPITRE 6 • RÉSULTATS : ONGLET 3 — IMPLANTATION D’ABRIS CLIMATIQUES

6. Résultats Obtenus : Implantation Paramétrique d’Abris Climatiques S1 à S5 (Onglet 3)

Un algorithme d’aide à la décision multicritère et non-opaque qui identifie et espace automatiquement les meilleurs emplacements d’intervention sur l’Île de Nantes.

Plutôt que de proposer une réponse unique en « boîte noire », l’onglet 3 évalue chaque maille extérieure située à une distance suffisante des façades (dégagement ≥ 2,0 m par défaut) selon 5 facteurs normalisés de 0 à 1 entre le 2e et le 98e centile du site :

(F1) Priorité au stress thermique diurne (09h–18h), (F2) Déficit ou complément d’ombre existante, (F3) Adéquation avec la cible de ventilation choisie, (F4) Ouverture spatiale de la place ou du quai, et (F5) Proximité d’une façade ou d’un axe de flux piéton.

Une suppression gloutonne des non-maxima (Greedy Non-Maximum Suppression) garantit que les candidats retenus (S1, S2, S3, S4, S5…) respectent un espacement minimal (ex. 35 m) afin de répartir les îlots de fraîcheur sur l’ensemble du quartier de la Prairie au Duc et du Parc des Chantiers.

Figure 6 — Onglet 3 « Implantation d’Abris (Shelter Siting) » : carte du score multicritère (0–100) avec les marqueurs S1 à S5 sur l’Île de Nantes et tableau transparent détaillant les 5 sous-scores normalisés et la typologie architecturale suggérée.

Rang	Maille (Île de Nantes)	Score (/100)	UTCI Moyen 09h–18h	Dégagement Façade	Proposition Architecturale Générée
S1	R19C8	66.8	34.8 °C	6.0 m	Canopée d’ombrage / pergola ventilée (poche chaude & calme)
S2	R3C53	66.4	34.8 °C	6.0 m	Pavillon d’ombrage autonome en espace ouvert
S3	R5C35	66.4	34.8 °C	6.0 m	Auvent de façade / galerie piétonne ombragée
S4	R23C8	66.4	34.8 °C	6.0 m	Halte fraîcheur arborée sur parcours piéton
S5	R20C23	66.2	34.8 °C	6.0 m	Structure légère d’ombrage perméable à la brise de Loire

Avertissement de conception urbaine affiché par l’application

Cette présélection S1–S5 constitue une base de dialogue pour l’atelier d’architecture : toute implantation réelle nécessite une visite de terrain, la vérification du foncier, des réseaux enterrés (VRD), de l’écoulement des eaux pluviales et des gabarits d’accessibilité pompiers.

CHAPITRE 7 • RÉSULTATS : ONGLET 4 — CONFORT ADAPTATIF ANNUEL

7. Résultats Obtenus : Seuil de Confort Adaptatif ASHRAE 55 & EN 16798-1 (Onglet 4)

Contextualisation régionale du climat nantais sur les 12 mois de l’année à partir de la température extérieure moyenne glissante (Trm).

L’onglet 4 replace la journée de canicule étudiée dans le contexte annuel complet de la station météo de Nantes-Atlantique. Il calcule la température extérieure moyenne glissante exponentielle (Running Mean Outdoor Temperature Trm avec α = 0,8) et permet de basculer entre deux normes internationales :

• ASHRAE 55 : Température neutre Tn = 0,31 × Trm + 17,8 °C (avec bandes d’acceptabilité à 80 % soit ±3,5 K, ou 90 % soit ±2,5 K) ;

• EN 16798-1 (norme européenne) : Température neutre Tn = 0,33 × Trm + 18,8 °C (Catégorie II ±3,0 K ou Catégorie III ±4,0 K), avec possibilité d’appliquer un décalage d’acclimatation régionale de -2,0 K à +2,0 K.

Le tableau mensuel récapitule pour chacun des 12 mois à Nantes la température moyenne, la Trm glissante, la température neutre, les bornes de confort, le nombre exact d’heures dépassant la borne supérieure en été (juin, juillet, août) et l’humidité relative moyenne.

Figure 7 — Onglet 4 « Confort Adaptatif » : courbe annuelle de la température neutre et de la bande d’acceptabilité 80 % (ASHRAE 55) comparée à la température extérieure à Nantes, accompagnée du bilan mensuel des 12 mois.

CHAPITRE 8 • RÉSULTATS : ONGLET 5 — PROFIL HORAIRE DIURNE 24H

8. Résultats Obtenus : Dynamique Diurne sur 24 Heures (Onglet 5)

Lecture heure par heure de l’évolution thermique du site et quantification directe de l’écart entre les surfaces au soleil et les surfaces à l’ombre du bâti 3D.

L’onglet 5 met en évidence la cinétique thermique d’une journée chaude sur l’Île de Nantes de 01h00 à 24h00. Il permet à l’étudiant en architecture ou à l’urbaniste de visualiser immédiatement pourquoi l’ombrage architectural est le levier numéro un du confort piéton diurne :

À 15h00 heure solaire locale, alors que la température de l’air sec (Ta) est uniforme sur le site, la température radiante moyenne (Tmrt) bondit de plus de +20 °C sur les parvis exposés au rayonnement direct (DNI), faisant passer le ressenti physiologique UTCI d’un stress modéré/fort à l’ombre à un stress très fort au soleil.

Figure 8 — Onglet 5 « Profil Horaire 24h » : comparaison des courbes horaires d’UTCI au soleil direct, d’UTCI moyen du site et d’UTCI à l’ombre portée des bâtiments 3D sur l’Île de Nantes, avec le tableau horaire complet de 01h00 à 24h00.

CHAPITRE 9 • ONGLETS 6 & 7 — MÉTHODE, LIMITES, EXPORTS CSV & LANCEUR LOCAL

9. Transparence Méthodologique, Exports CSV Scientifiques & Utilisation Locale (Onglets 6 & 7)

Toutes les équations physiques sont documentées et l’intégralité des tableaux et grilles géoréférencées s’exporte en 1 clic au format CSV pour QGIS, Grasshopper ou Excel.

L’onglet 6 (« Méthode & Limites ») détaille les formules physiques utilisées (position solaire, lancer de rayons vectorisé sur grille métrique, loi de puissance urbaine du vent à 1,5 m, calcul simplifié de Tmrt et approximation polynomiale UTCI) tout en rappelant honnêtement les limites du modèle (absence de réflexions multiples de grandes ondes entre façades, absence d’évapotranspiration végétale explicite ou de CFD 3D complète).

Enfin, l’onglet 7 (« Exports CSV & Lanceur Local ») permet de télécharger en un clic 7 fichiers .CSV standardisés et géoréférencés (WGS84 lat/lon + coordonnées métriques locales x/y) ainsi que les scripts de lancement local autonome (`start_app.bat`, `start_web_app.bat`, `README.md`), la vidéo tutorielle 1:1 (`Video/Tutoriel_Urban_Heat_Stress_1x1.mp4`) et le présent tutoriel au format Google Docs (`.docx` et `.html`).

Figure 9 — Onglets 6 & 7 : documentation des équations et limites du modèle, grille des 7 boutons d’export CSV géoréférencés et téléchargement du lanceur local Windows (start_app.bat).