La science émergente des horizons urbains

À New York, environ les deux tiers de la consommation d'énergie de la ville sont consacrés au refroidissement, au chauffage et à l'éclairage des bâtiments. C'est pareil dans d'autres villes nord-américaines.

Les formes de ces bâtiments déterminent en grande partie la façon dont cette énergie rayonne dans l'environnement. En d'autres termes, la ligne d'horizon d'une ville est un facteur important de son empreinte carbone.

Cela soulève une série de questions intéressantes. Comment les formes des bâtiments varient-elles d'une ville à l'autre, notamment avec la taille de la ville ? Et cela pourrait-il conduire à une compréhension plus générale de la façon dont la consommation d'énergie change à mesure que les villes grandissent ou rétrécissent ?

Aujourd'hui, nous obtenons une réponse grâce au travail de Markus Schlapfer du Santa Fe Institute et de ses amis, qui ont analysé la forme de près de cinq millions de bâtiments dans des villes de différentes tailles à travers l'Amérique du Nord. Ces gars-là disent qu'il existe une relation simple entre la hauteur moyenne des bâtiments et la taille de la ville et que cela a des implications importantes sur la façon dont les villes consomment l'énergie.

Ce type de travail est devenu possible parce que les urbanistes sont capables de mesurer relativement facilement la taille des bâtiments à l'aide de techniques telles que la télémétrie laser. Ces données sont de plus en plus placées dans le domaine public par les villes elles-mêmes ou par des projets open source comme OpenStreetMap.

Schlapfer et co ont simplement téléchargé ces informations à partir d'environ cinq millions de bâtiments de 12 villes nord-américaines. Celles-ci allaient des plus grandes, New York et Los Angeles (avec des populations de 20 millions et 13 millions respectivement), à des villes de taille moyenne telles que San Francisco et Austin (avec des populations de quatre millions et deux millions respectivement) à de petites villes comme Ann Arbor et Santa Fe (avec des populations de 300 000 et 100 000 respectivement).

La distribution de taille montre une tendance claire. Schlapfer et co disent qu'à première vue, les données correspondent à l'attente générale selon laquelle la hauteur moyenne des bâtiments augmente avec la taille de la ville et que, dans une ville, les bâtiments deviennent plus grands plus près du centre.

Mais un examen plus approfondi des données révèle des modèles plus détaillés. Pour commencer, au centre des villes, la taille moyenne des bâtiments augmente avec la population sur deux ordres de grandeur. Et cela reflète un changement dans la forme des bâtiments, passant de structures plus grandes et plus plates dans les petites villes à des structures plus hautes et plus étroites dans les grandes villes.

La raison de cette tendance est simple à modéliser. Plus la population d'une ville augmente, plus le terrain devient cher. En effet, le prix du foncier augmente plus rapidement que le revenu personnel. Ainsi, la seule façon de le rendre abordable est de réduire la quantité d'espace que les gens utilisent, une tendance qui aboutit finalement à des bidonvilles, ou d'augmenter le volume des bâtiments en les rendant plus hauts.

Comme les terrains sont plus chers dans les centres-villes, les bâtiments devraient également y être plus hauts.

En théorie, cette tendance devrait être bonne pour l'efficacité énergétique. Les bâtiments plus hauts ressemblent davantage à des cubes et ont donc généralement un rapport surface / volume plus petit. Cela contribue à rendre les bâtiments plus économes en énergie. Nous constatons que la taille des bâtiments augmente avec la taille de la ville, créant les conditions d'une plus grande efficacité énergétique en termes de contrôle climatique, déclarent Schlapfer et co.

Jusqu'à un certain point. Dans des villes comme New York et Boston, cette tendance a conduit à la construction de gratte-ciel beaucoup plus hauts et moins économes en énergie. Le rapport surface/volume augmente à nouveau dans les centres-villes des grandes villes, en raison de la prolifération de grands immeubles en forme d'aiguilles, disent-ils.

Cependant, il existe une limite pratique à la hauteur des bâtiments qui est imposée par le volume de bâtiment qui doit être consacré aux ascenseurs, aux cages d'escalier, etc. De nombreux architectes considèrent comme une règle empirique qu'avec la technologie actuelle, un bâtiment de plus d'environ 100 étages n'est pas économiquement viable, selon l'équipe.

Ils concluent qu'en moyenne, les formes des bâtiments dans les villes nord-américaines convergent vers une forme cubique à mesure que les villes s'agrandissent - c'est la forme la plus économe en énergie.

Cela devrait avoir des implications importantes pour la consommation d'énergie dans les futures mégalopoles. Partout dans le monde, les populations convergent vers les villes à un rythme qui entraîne la période de construction urbaine la plus longue et la plus rapide de l'histoire.

Les urbanistes s'attendent à ce que le tissu urbain des villes en développement dépasse tout ce qui a été construit jusqu'à présent. La Chine, par exemple, a coulé plus de béton entre 2011 et 2013 que les États-Unis n'en ont utilisé pendant tout le XXe siècle.

Cela aura des conséquences importantes puisque l'énergie utilisée dans ces villes augmentera inévitablement.

La nouvelle science des horizons devrait aider les scientifiques urbains à comprendre les processus impliqués. Mais dans quelle mesure ils peuvent contribuer à atténuer les conséquences pour l'environnement est moins clair.

Réf : arxiv.org/abs/1512.00946 : Horizons urbains : hauteurs et formes des bâtiments comme mesures de la taille de la ville

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