Faits: A. Le plan partiel d'affectation n° 667 concernant les terrains compris entre les avenues d'Ouchy, de la Gare, de Rosemont et de la Rasude a été approuvé avec son règlement par le Conseil communal de Lausanne le 5 octobre 1993 et par le Conseil d'Etat du canton de Vaud le 12 janvier 1994. Cet îlot comprenait alors plusieurs bâtiments sis le long de l'avenue de la Gare soit, depuis l'amont et en direction de l'avenue d'Ouchy, un hôtel édifié en 1910 (Hôtel Mirabeau), une tour construite en 1964 reposant sur un socle occupant le centre de l'îlot (Tour Edipresse) et un bâtiment réalisé entre 1895 et 1896 par l'architecte Francis Isoz pour le docteur Oscar Rapin (Immeuble Rapin) dans l'angle formé par l'avenue de la Gare et l'avenue d'Ouchy, en contrebas par rapport aux autres immeubles. Ce bâtiment de sept niveaux comprenait à l'origine le cabinet et le logement du médecin au premier étage et des appartements aux étages supérieurs. Il abrite aujourd'hui notamment les bureaux de la rédaction de deux des journaux édités par la société Edipresse Publications SA, propriétaire actuelle des lieux. Au nord, le long de l'avenue de la Gare, se trouve un espace utilisé comme parking, précédemment occupé par l'Hôtel Jura-Simplon jusqu'à sa démolition en 1970. L'immeuble Rapin a obtenu la note 4 lors du recensement architectural de la partie urbaine du territoire de la Commune de Lausanne en 1975, puis la note 3 lors de la révision du recensement en 1994; cela signifie qu'il présente un intérêt local et mérite d'être conservé, sans toutefois pouvoir être classé comme monument historique; il peut être modifié à condition de ne pas altérer les qualités qui ont justifié sa note. Le plan partiel d'affectation vise à redéfinir les possibilités de bâtir dans le périmètre en tenant compte des volumes existants de l'Hôtel Mirabeau ainsi que de la Tour Edipresse et de son socle, en inscrivant les constructions nouvelles dans la perspective de l'avenue de la Gare et en valorisant l'angle formé par les avenues de la Gare et d'Ouchy. Il prévoit ainsi, à l'emplacement actuel de l'Immeuble Rapin et de l'espace utilisé comme parking, l'édification d'un nouveau bâtiment de plusieurs étages destiné à des activités administratives, commerciales ou liées au domaine de l'imprimerie et de l'édition, figuré à titre indicatif de forme cylindrique dans le plan. B. Durant l'été 2006, Edipresse Publications SA a soumis à l'enquête publique la démolition de l'immeuble Rapin. Le projet a suscité une opposition de la Société d'Art Public, section vaudoise de Patrimoine Suisse. Au mois de novembre 2006, la Municipalité de Lausanne a informé l'opposante qu'elle suspendait la procédure d'octroi du permis de démolir afin d'examiner s'il y avait lieu, sur la base d'une nouvelle pesée des intérêts, de modifier le plan partiel d'affectation n° 667. Dans ce cadre, elle a demandé au propriétaire de faire procéder à une analyse technique et à une étude historique du bâtiment. Le Bureau de recherche en histoire de l'architecture Luthi et Corthésy, à Lausanne, chargé de cette étude, a rendu son rapport en février 2007. Selon ce rapport, l'immeuble Rapin est avant tout remarquable par la personnalité de son concepteur, Francis Isoz, architecte le plus important à Lausanne durant la période 1890-1910 en raison du nombre considérable de ses productions et de la réalisation des édifices parmi les plus marquants de son temps. Du point de vue du style, cet immeuble est la seule occurrence connue en Suisse romande de l'application historiciste de l'architecture de François Ier et constitue à ce titre un objet exceptionnel. En outre il présente sur ses quatre façades principales une grande richesse ornementale, demeurée en bon état de conservation. Du point de vue typologique, la réalisation d'un appartement mêlant le cabinet d'un médecin et un logement de grand standing constitue un phénomène nouveau, dont la valeur a été amoindrie par l'élimination d'une série de cloisons. Du point de vue enfin de son implantation, l'immeuble Rapin participe à la mutation du secteur de la Rasude au tout début du XXème siècle, caractérisée par la réalisation de bâtiments aux gabarits élevés, lui conférant un aspect urbain à forte densité. En raison de la démolition des bâtiments qui l'entouraient et de la construction de la Tour Edipresse en 1964, il se présente aujourd'hui, vu de l'avenue de la Gare, dans une implantation isolée non conforme aux intentions urbaines de son concepteur. Seul le voisinage d'immeubles possédant la même volumétrie permettrait de rendre compte de cette destination. De façon générale, les constructions réalisées dans les années 1900 constituent le patrimoine architectural le plus important à Lausanne et en détermine l'aspect global de la manière la plus déterminante. Prise individuellement, la disparition de l'un des représentants de cette période ne signifie pas forcément la perte d'un objet patrimonial incomparable, mais elle contribue à l'érosion d'un ensemble constitutif de l'image de la ville. C. Le 18 mars 2008, Edipresse Publications SA a requis l'autorisation de démolir l'immeuble Rapin et de construire à sa place un bâtiment de trois étages sur rez en forme de U avec une surface au sol de 976,6 mètres carrés et une surface brute utile de plancher de 4'381,2 mètres carrés. Le bâtiment projeté épouse la forme du terrain à l'angle de l'avenue de la Gare et de l'avenue d'Ouchy en venant terminer l'îlot constitué des constructions de la société sises à l'est. Il correspond au projet primé à l'issue d'un concours d'architecture organisé sur invitation par la société propriétaire. Le projet, soumis à l'enquête publique du 29 avril au 29 mai 2008, a notamment suscité l'opposition de la Société d'Art Public, motivée par la démolition jugée injustifiée de l'immeuble Rapin. Le 3 septembre 2008, le Délégué à la protection du patrimoine bâti de la Ville de Lausanne a émis un préavis défavorable concernant la démolition de cet immeuble en se référant principalement à l'étude historique réalisée à la demande de la Municipalité. Le 25 septembre 2008, la Centrale des autorisations de construire du Département des infrastructures du canton de Vaud a transmis à la Municipalité de Lausanne une synthèse des préavis et autres autorisations spéciales des Services de l'Etat. Cette synthèse comprend notamment une observation, traitée comme une opposition, de la Section Monuments et Sites du Service Immeubles, Patrimoine et Logistique, qui déclare soutenir le préavis négatif émis par le Délégué communal à la protection du patrimoine bâti. Elle contient également une prise de position du Service de la mobilité demandant que le nombre de places de parc soit fixé à 94, conformément au plan des mesures OPAir de l'agglomération Lausanne-Morges. Par décisions du 5 décembre 2008, la Municipalité de Lausanne a levé les oppositions et délivré le permis de construire sollicité, qui emporte la démolition de l'immeuble Rapin et la construction du bâtiment mis à l'enquête publique avec un parking souterrain de 83 places. 