Analyse de la qualité de l’air pour un important centre de recherche sur le cancer à Manhattan
Le Mortimer B. Zuckerman Research Center (ZRC) est un centre de recherche de pointe sur le cancer à New York. Le ZRC a considérablement élargi la capacité de recherche sur le cancer de l’Institut Sloan Kettering depuis l'achèvement de sa construction en 2009, doublant le nombre de ses laboratoires de recherche et permettant la création de nouveaux programmes en immunologie, en bio-informatique, en biologie du cancer et en génétique. Le ZRC est un bâtiment certifié LEED argent composé de deux tours distinctes et situé en face du Memorial Hospital. Il comprend deux espaces de recherche de haute technologie comme des laboratoires de radiochimie et d'ingénierie cellulaire ainsi que des espaces de rassemblement comme un centre de congrès et un auditorium de 350 places; ces lieux de rassemblement permettent aux experts de partager leur travail et de forger de nouveaux liens entre les sciences fondamentales et les soins cliniques.
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Le défi
Établir un établissement de recherche de pointe dans un environnement urbain densément peuplé comme Manhattan favorise la collaboration entre les secteurs scientifiques et cliniques. Cela représente cependant des défis techniques. Si elles ne sont pas gérées correctement, les émissions des sorties d'évacuation, comme celles des hottes de laboratoire, des groupes électrogènes diesels et des locaux d'hébergement pour les animaux, peuvent entraîner des problèmes de pollution et d'odeurs pour les voisins. Elles peuvent également représenter des problèmes à l’intérieur de l’établissement si les conditions météorologiques changeantes font en sorte que les émissions sont réentrainées par les prises d'air de l'édifice. Avec ses 23 étages et ses 128 mètres, la plus grande des deux tours du ZRC compte parmi les installations de recherche les plus hautes au monde; sa hauteur inhabituelle, combinée aux configurations d'écoulement d’air causées par les bâtiments adjacents, exigent une étude attentive et la gestion des risques liés à la qualité de l'air.
L'équipe de conception du projet nous a engagés afin de réaliser des études détaillées sur la dispersion des émissions et sur la qualité de l'air de l'immeuble afin de s’assurer que les systèmes d'alimentation en air et d'évacuation du ZRC fonctionnent de manière optimale. Les systèmes doivent assurer la sécurité et le confort des occupants des bâtiments, ainsi que ceux des utilisateurs des bâtiments voisins, ce qui inclut (en plus du Memorial Hospital) plusieurs résidences ainsi qu’une église.
En plus de modéliser l'écoulement de l’air à l'intérieur et autour du ZRC afin d'étayer la conception des systèmes de ventilation et d'évacuation, on nous a demandé d’analyser l'effet de la pression du vent sur la plus haute tour de l'établissement de recherche qui était soumise à des conditions complexes en raison de sa grande hauteur par rapport aux structures voisines.
Notre approche
Le ZRC a été réalisé en deux phases. La phase un comportait la tour de 23 étages et de 210 312 mètres carrés où se trouvent la plupart des laboratoires. La phase deux comprenait les installations de recherche comptant neuf étages et s'étendant sur 54 864 mètres carrés; on y retrouve des laboratoires et des espaces consacrés aux conférences ainsi que des bureaux scolaires.
Notre équipe a travaillé étroitement avec les équipes d'architecture et de mécanique afin de s’assurer que tout au long de ces deux processus, les choix de conception soient éclairés par la modélisation et des analyses. On a ainsi obtenu un portrait détaillé de la façon dont les structures et leurs systèmes répondraient au contexte urbain dense et complexe.
Lors de la conception du plus haut bâtiment, notre objectif principal était les sorties d'évacuation sur le toit. En plus de veiller à ce que la fumée et les polluants provenant des divers laboratoires puissent se disperser en toute sécurité sans toucher les voisins ou être réentrainés dans le bâtiment, il nous fallait aussi veiller à ce que les émissions des tours de refroidissement ne compromettent pas la performance ou l’efficacité du système lié à la qualité de l'air.
Nous avons effectué des essais en soufflerie à l’aide de gaz traceurs afin de nous assurer du bon rendement combiné de l’ensemble des équipements d’évacuation nécessaires pour servir un grand bâtiment comprenant plusieurs activités de laboratoire intensives. Cette approche nous a permis de faire des recommandations précises en matière de conception des sorties d'évacuation, ainsi que concernant la conception et l'installation des prises d'air aux étages supérieurs.
La volumétrie de la tour réalisée au cours de la phase un a posé des défis en ce qui concerne le bâtiment de faible hauteur qui était l’objet de la phase deux. (Ces difficultés étaient des conséquences inévitables de la parcelle de terrain en forme de L où se trouve l’établissement.) Afin de garantir une dispersion sécuritaire des émissions provenant du bâtiment moins élevé, les émissions devaient passer par des conduits parcourant des centaines de pieds à la verticale jusqu'au haut de la tour de la phase un — à moins qu’une meilleure solution puisse être identifiée.
Tous les intervenants de l’équipe de conception — notamment les architectes, les concepteurs, les spécialistes de la mécanique et nos experts des vents et de la qualité de l’air — ont travaillé ensemble dans le but de revoir les concepts et discuter de stratégies à diverses étapes du processus de conception de la phase deux. Lorsque des solutions apparemment viables ont été proposées, nous avons mené des essais en soufflerie et produit des rapports détaillés sur leur performance afin de faciliter la poursuite des travaux. Finalement, grâce à ce processus itératif et collaboratif, nous avons été en mesure de tirer avantage des configurations d'écoulement des vents complexes en les utilisant pour mettre en place une solution facilitant la dispersion sécuritaire et efficace des émissions provenant du bâtiment de faible hauteur, sans recourir à des conduits encombrants. Les essais en soufflerie de RWDI ont non seulement permis d'élaborer et d’améliorer cette solution, mais aussi de prouver qu’elle donnerait les résultats requis sur le plan de la sécurité et du confort pour le quartier.
Les écoulements d’air complexes qu'on retrouve dans le quartier populeux du ZRC présentaient des possibilités uniques pour la dispersion des gaz d’échappement. Ils représentaient également des conditions de vent uniques pour la plus grande tour qui devaient être quantifiées et incluses dans les décisions de conception. En plus de nos travaux liés à la qualité d’air, nous avons effectué des essais en soufflerie concernant la pression du vent exercée sur le revêtement et la réponse structurale induite par le vent sur la tour de la phase un. Nous avons ensuite formulé des recommandations en fonction de nos analyses pour les concepteurs du revêtement et les ingénieurs de structures.
Le résultat
Le Zuckerman Research Center, bâti au coût de 503 millions de dollars, fonctionne efficacement depuis 2009. Il facilite la collaboration interdisciplinaire entre les scientifiques travaillant dans différents domaines pour la lutte conjointe contre le cancer. L’établissement accueille les travaux de 100 chercheurs de pointe et de leurs équipes et il héberge le Louis V. Gerstner, Jr. Graduate School of Biomedical Sciences. Les systèmes d’air de l’établissement continuent à protéger les chercheurs, les étudiants et les voisins pendant que les experts travaillent au sein du bâtiment à améliorer leur compréhension du cancer et à leur capacité à le traiter.