Developing computational dialogue interface on freeform paneling for cost efficiency

Serbest yüzeylerin maliyet etkin panellenmesi için hesaplamalı bir diyalog arayüzü geliştirilmesi

PDF İndir

Tez No: 609496
Yazar: BEKİR TOPALOĞLU
Danışmanlar: PROF. DR. LEMAN FİGEN GÜL
Tez Türü: Yüksek Lisans
Konular: Mimarlık, Architecture
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2019
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Enformatik Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: 127

Özet

Serbest eğrilikli geometriler ahşap, kamış, hasır kubbevâri barınaklar olarak antik dönemlerden beri yapılı çevrede mevcuttur. Mimarlık tarihinde, tek ve çift eğrilikli geometriler kemer ve kubbe gibi yapı elemanlarında karşımıza çıkmaktadır. Bu yapı elemanları, dönemlerindeki mevcut malzemeler ve taşıyıcılık kısıtlamaları sonucu şekillenmiştir. Endüstriyel gelişmeler ve demir, betonarme, çelik malzemelerinin inşaat malzemesi olarak kullanımının imkânıyla birlikte, tasarımcılar form bulma yöntemleriyle yeni form arayışlarına girmiştir. Bilahare, teknolojik gelişmeler ve bilgisayar destekli tasarım araçlarının yaygınlaşması ile birlikte form arayışlarına ve daha karmaşık serbest biçimlerin elde edilmesine yeni imkânlar doğmuş, dahası karmaşık serbest biçimlere olan talep artmıştır. Nitekim bilgisayar destekli tasarım araçları form arayışlarına serbestlik getirmiş ve serbest eğrilikli geometrilerin günümüz mimarlığında en mühim olgularından biri haline gelmesine neden olmuştur. Tasarımcılar serbest eğrilikli geometrilerin tasarımında etkili yazılım desteğine sahipken, bu formlar için maliyet etkin imalat çözümleri geliştirme problemi ortaya çıkmıştır. Tarihi süreçte, serbest biçimli tasarım önerilerinin bazıları bütçe nedeniyle reddedilirken, bazıları kabul edilmiş ancak yüklenicilerinin iflasına neden olmuştur. Fakat tasarımcıların serbest biçimli geometrilerdeki ilgi ve ısrarı, talihsiz tecrübelerin önüne geçmiş, serbest eğrilikli biçimlerin imalatının akademi ve yapı endüstrilerinde bir araştırma geliştirme alanı olarak gelişmesine sebep olmuştur. Böylelikle, matematik, geometri, yazılım uzmanları, mühendis ve tasarımcıların araştırma yaptığı Mimari Geometri, disipliner arası bir çalışma alanı olarak ortaya çıkmıştır. Serbest eğrilikli geometrilerin imalat süreçleri, geometri, malzeme, taşıyıcı sistem, kullanım ve nakliye ile ilgili çeşitli zorlukları bünyesinde barındırmaktadır. Tasarlanan yüzey, bu zorluklar göz önünde bulundurularak ve tasarlanan biçime sadık kalınarak rasyonelleştirilmelidir. Rasyonelleştirme süreci, genellikle ilgili uzmanlar ve danışmanlar tarafından yürütülür ve projelendirme süreçlerinin en sonlarında kendine yer bulur. Bu aşamada yapılan rasyonelleştirme, danışman ve yüklenicilerin tasarıma ciddi müdahalelerde bulunması ile ya da tasarımcının katı şartlar dayatması sonucu proje bütçesinin etkilenmesi ile sonuçlanır. Bu anlaşmazlıkların ortaya çıkması normaldir, çünkü tasarım ve imalat süreçleri birbiriyle yakından ilişkilidir. İmalat süreci göz önünde bulundurulmadan yapılan tasarımların, proje takvimini ve bütçesini etkilemesi kaçınılmaz olacaktır. Serbest eğrilikli geometrilerin rasyonelleştirilmesi için kullanılan yöntemlerden biri panelleme yöntemidir. Simetrik olmayan karmaşık yapılı biçimlerin panellenmesi genelikle her bir panelin özel boyut ve açılarda oluşmasına yol açar ve her panelin ayrı bir imalat sürecine tabi tutulması gerekliliği mali bir yük getirir. Özel panel sayısının düşürülmesi ve tekrar eden elemanların arttırılması serbest eğrilikli formlarda maliyeti azaltan önemli bir etkendir. Fakat serbest eğrilikli geometrilerde özel panel sayısının düşürülmesi ve tekrar eden elemanların arttırılması üç türlü mümkün olabilir. Birinci ihtimalde, tasarlanan biçimden fedakârlık edilecek ve tamamen örtüşen kenar birleşimleri ile bir panelleme sonucu elde edilecektir. İkinci ihtimalde, panellerin birbirleri üzerine bini yapmasına izin verilecek, eş panellerin farklı miktarlarda birbirleri üzerinde bini yapmaları ile panel çözümüne ulaşılacaktır. Üçüncü ihtimalde ise birbiriyle yakın geometrik özellikler gösteren paneller kümelenecek ve her küme için standart bir panel geometrisi belirlenecektir. Fakat bu şekilde kümelenme sonucu oluşan panellemelerde paneller arası boşluklar kabul edilmelidir. Panelleme farklı geometrilerle yapılabilmektedir ve farklı geometrilerin panelleme sonucu kullandıkları malzeme miktarları değişkenlik göstermektedir. Dahası, panelleme geometrisi genellikle strüktür geometrisini belirlediğinden, yapılacak olan panelleme çözümü tasarımın taşıyıcı performansını da etkilemekte, taşıyıcı tonajını değiştirmektedir. Dolayısıyla, bu çalışmada farklı panelleme çözümlerinin maliyet çalışmaları yapılırken çoklu faktörlerin bir arada değerlendirilmesi gerekliliği vurgulanmıştır ve farklı geometrideki panelleme alternatiflerinin malzeme kullanımlarının enegre bir şekilde analiz edilmesi önerilmiştir. Dahası, farklı geometri alternatiflerinin, tasarımın mimari kimliğini ciddi bir şekilde etkilediği de göz önünde bulundurulursa, bu analizlerin tasarım geliştirme sürecinde, tasarımcı ekip tarafından yapılması önerilmiştir. Çoklu faktörleri aynı anda düşünmek ve bunların analizlerini yapmak aslında mimarlar için yeni bir durum değildir. Eskiz ile yapılan tasarım süreçlerinde, tasarımcıların kâğıda fikirlerini yansıttıkları, farklı faktörleri göz önünde bulundurarak değiştirilmesi-düzenlenmesi gereken yerleri fark edip tasarımlarını geliştirdikleri bilinmektedir. Eskiz üzerinde devam eden bu tasarım süreci tasarımcının kendisiyle kurmuş olduğu bir diyaloğa benzetilir. Fakat serbest eğrilikli geometrilerin tasarım süreçlerinde çoklu faktörlerin göz önünde bulundurulması için bilgisayar desteğinin gerekliliği belirtilmiştir. Bilgisayar destekli tasarım teorisi çalışmalarında; eskiz ortamında tasarımcı ve tasarım arasında gerçekleşen etkileşim bilgisayar ortamında yeniden kurgulanmaya çalışılmıştır. Eskiz ve tasarımcı arasında gerçekleşen etkileşim esnasında, tasarımcının içsel, yoruma açık ve tecrübelerine dayalı ifadeleri tasarım değerlendirme sürecini oluşturur. Fakat bilgisayar ve tasarım arasında gerçekleşen etkileşimlerin farklı bir yaklaşım ile sağlanması gerektiği belirtilmiştir. Tasarımcının, bilgisayar ile kurmuş olduğu etkileşimde, tasarımcı form oluşumunu kontrol ederken, değişen forma dair performans değişikliklerinin sistem tarafından açık ve nicel verilerle tasarımcıya sunulması beklenmektedir. Bu çalışmada, serbest eğrilikli geometrilerin panellenme süreçlerinde, tasarımcı tarafından yeni panelleme alternatifleri geliştirilirken bu alternatiflerin taşıyıcı ve panelleme malzeme kullanımları hakkında geri-besleme alabileceği bir entegre algoritma geliştirilmesi hedeflenmiştir. Ayrıca, serbest eğrilikli geometrilere aşina olmayan tasarımcılara, bu geometrilerin eğrilikleri, bilgisayar ortamlarında temsilleri ve fiziksel gerçeklikte imalat yöntemleri ile ilgili temel bilgilerin aktarılması hedeflenmiştir. Dahası, parametrik tasarım araçlarına hâkim olmayan tasarımcıların da yararlanabilmeleri için algoritma düzeneği basitleştirilmiş, tasarımcı ve algoritma arasında diyalog kuran bir arayüz geliştirilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde, serbest eğrilikli biçimler; eğrisel nitelik, dijital temsil ve fiziksel imalat olarak üç başlıkta incelenmiştir. Öncelikle, serbest eğrilikli yüzeylerin eğrisel nitelikleri anlaşılmalıdır. Bu bağlamda, prensip eğrilik, gauss eğriliği ve ortalama eğrilik kavramları açıklanmış, bu kavramlar doğrultusunda eğrisel niteliklerin sınıflandırılması açıklanmıştır. Çalışmanın devamında, serbest eğrilikli yüzeylerin dijital ortamlardaki temsilleri sunulmuştur. NURBS tabanlı yüzey temsillerinin biçim kontrolünü sağlayan kontrol noktası, derece ve ağırlık değerleri açıklanmıştır. Mesh tabanlı yüzey temsillerinin biçim kontrollerini sağlayan, köşe noktaları, kenarlar ve çokgen geometrisi kavramları açıklandıktan sonra NURBS ve Mesh temsillerinin birbirlerine dönüştürülme imkânları hakkında bilgi verilmiş, iki temsil biçiminin hangi alanlarda kullanıldığına dair karşılaştırma yapılmıştır. Sonrasında, serbest eğrilikli yüzeylerin imalat yöntemleri, bu yüzeyleri oluşturan taşıyıcı ve yüzey kaplaması olarak iki başlıkta incelenmiştir. Serbest eğrilikteki taşıyıcı sistemler, sistemi oluşturan elemanların boyutlarına ve yük aktarım karakterine bağlı olarak üç başlıkta incelenmiştir: üç boyutlu elemanlardan oluşan (yığma) sistemler, iki boyutlu elemanlardan oluşan (kabuk) sistemler ve tek boyutlu-çizgisel elemanlardan oluşan (çerçeve) sistemler. Sonrasında, panelleme teknikleri, yüzeyi oluşturan panellerin eğriliği göz önünde bulundurularak; çift eğrilikli, tek eğrilikli ve düzlemsel paneller olarak üç başlıkta incelenmiştir. Düzlemsel paneller ise, kenarları birbiriyle örtüşen paneller, birbiri üzerine bini yapan paneller ve aralarında boşluk bulunan paneller olarak üç ayrı grupta incelenmiştir. Ayrıca, panelleme tekniğinde yaygın olarak kullanılan üç geometri seçeneği olan üçgen, dörgen ve altıgen grid geometrileri incelenmiş, her üç geometri için panel maliyeti ve taşıyıcı sistem maliyetleri literatürden edinilen bilgiler doğrultusunda karşılaştırılmıştır. Farklı geometri seçeneklerinin, panelleme ve taşıyıcı sistem maliyetlerinde gösterdikleri sonuçların paralel olmadıkları vurgulanmıştır. Çalışmanın üçüncü bölümünde, paralellik göstermeyen farklı geometrilerdeki grid çözümlerinin panelleme ve taşıyıcı sistem maliyetlerinin bir arada ve entegre bir şekilde değerlendirilebileceği bir algoritma geliştirilmiştir. Çalışma, Rhinoceros yazılımının görsel programlama arayüzü olan Grasshopper üzerinde geliştirilmiştir. Algoritma 3 modülden oluşmaktadır, bunların ilki panelleme alternatiflerinin oluşturulmasında, diğer ikisi ise oluşturulan alternatiflerin değerlendirilmesinde kullanılmaktadır. İlk modül, tasarım yüzeyinde grid oluşturulması ve bu oluşturulan grid çözümünün optimizasyonunu içerir. İkinci modülde makine öğrenmesi algoritmaları ile optimize edilmiş olan grid çözümü üzerinde panel kümeleri oluşturulur, her küme için standardize edilmiş bir panel geometrisi belirlenir. Üretilen standart panellerin kesim şemaları optimize edilerek brüt malzeme kullanımı hesaplanır. Üçüncü modülde ise, optimize edilmiş grid çizgileri taşıyıcı elemanlar olarak değerlendirilir ve taşıyıcı sistem analizi gerçekleştirilir. Yeterli performans gösteren profil kesiti ayarlanarak, toplam taşıyıcı sistem ağırlığı hesaplanır. Geliştirilen üç modül, üç farklı grid seçeneği olan üçgen, dörtgen ve altıgen geometriler için yeniden tanımlanmıştır. Ve oluşturulan üç geometri seçeneği için oluşturulan üç modül bir kullanıcı arayüzü üzerinde entegre edilmiştir. Tasarımcı, yalnızca arayüzü kullanarak, yeni alternatifler üretebilir, bu alternatiflerin farklı malzemeler ile panellenmesini test ederek, malzeme kullanımı ve taşıyıcı ağırlığı değerlerini elde edebilir. Arayüz geliştirme tamamlandıktan sonra, üç farklı geometri için iki farklı boyutta grid alternatifleri oluşturulmuş ve oluşan bu altı grid alternatifi dört farklı malzeme ile test edilerek yirmi dört farklı panelleme senaryosu oluşturulmuştur. Sonuçlar karşılaştırıldığında, farklı panelleme senaryolarının birbirlerine paralel sonuçlar göstermediği, dahası genellemeler sonucu ortaya çıkarılan önkabullerle tamamen örtüşmediği görülmüştür. Sonuçlar, çalışmanın başında ifade edilen,“serbest eğrilikli yüzey imalatlarında, geleneksel eskiz tasarım süreçlerinde olduğu gibi ön kabullere ve yorumlara bağlı değerlendirmeler yerine, açık ve nicel verilerle değerlendirilmesi gerekliliği”iddiasını doğrulamaktadır.

Özet (Çeviri)

Curved shapes occur in architectural works of humanity from the early dome-like shelters. Within the architetural heritage, single and double curved shapes appeared in the structure of arches and domes. Available building materials and their structural constraints are the main causes on the formation of these early curved shapes. Later; iron, reinforced concrete, steel materials joined to structural materials, granted freedom in formation of architectural shapes and contributed new possibilities. Then, computer-adided design tools joined the architectural design processes, provided more freedom for complex geometries and increased demand for them. However, progression of realization solutions for these problems could not compete with the desire for freeform surfaces, and there is a knowledge gap in designing and producing processes of the freeform surfaces. The research gap led to emergence of Architectural Geometry, which is an interdisciplinary research field, where computer scientist, designers, mathematics and geometry experts work together. Freeform surface realization process includes various difficulties related to geometry, fabrication, transportation, cost etc. The design surfaces are rationalized in order to achieve more reasonabe fabrication proceeses and costs. Consultants and experts carry on this rationalization processes in later stages of project in general, which brings dramatic design changes or expensive solutions. One of the realization methods for architectural freeform surfaces is paneling, and there are different techniques for paneling a freeform surface. Diffferent techniques have effect on both paneling material usage and structural material usage of the project. Thus, in this study it is suggested that these material usages should be considered simultaneously. Evenmore,the paneling solution also affects the architectural expression of the project, therefore paneling and structural material usages are suggested to be considered during the design development phase. The study provides an affordable methodology to improve freeform design proposals by offering an integrated algorithm, which has various parameters to generate new paneling solutions, evaluate their material usage performances and it gives quantitative feedbacks to the designer. The study provides basis knowledge for those who are not familiar with freeform design concepts, and further provides a simplified user interface design for those who are not experienced in parametric design environments. Developing paneling solutions on freeform surfaces requires information about key concepts in freeform design processes. First, complex curvature characteristics are examined, as they are key identifiers of freeform surfaces. Each surface point has two principal curvature values as maximum and minimum curvature values. Multplication and arithmetic mean of these values give Gaussian and Mean curvature values. Those values, assist the process of analysing and categorising freeform surfaces as single and double curvature zones. Second, digital representations of freeform surfaces are presented, as they are main subjects on computational design environment. NURBS and mesh geometries are explained with their shape control handles. Then physical realizations of freeform designs are explained. Structures of freeform surfaces are presented with their loadbearing component dimensionalities. Three-dimensional (solid), two-dimensional (shell) and one-dimensional (linear) structural solutions for freeform designs are presented. Then, paneling techniques are presented with panel curvatures. Double curved, single curved and planar panels are analysed in terms of their production, material availability, and costs. Planar panels are further analysed with different geometry options. Triangular, quadrilateral and hexagonal grid geometries are analysed with their structural performance and paneling convenience. Their unparalleled behaviours on paneling and structural material usages are pointed. In this study, it is suggested that comparing material usages of both structural solution and paneling usages of paneling on freeform geometries in an integrated algorithm could contribute developing feasible proposals.The context of the model development study is limited with planar paneling with gapped placements. The study is conducted in Rhinoceros software and its visual programing environment Grasshopper. Kangaroo, Weaverbird, Lunchbox, Karamba, OpenNest add-ons are used to develop modules and interface. The suggested integrated algorithm has three modules, grid optimization, panel standardization and structure analysis. First module works as design option generation module and other modules are working as evaluating material usage performances of design options. Three modules are defined individually for triangular, quadrilateral and hexagonal geometry options, because their algorithms have slight differences by means of their geometric properties. Then, the control parameters of the whole definitions are collected and refined to provide a user-friendly interface. Furthermore, 24 design options are generated and their material usage results are compared. Based on the results of the design options, the study discusses benefits of taking explicit and quantitative feedbacks from computational design environments. Although there are infinite alternatives in solution space of the context, evaluating 24 alternatives prove that implicitly evaluating of freeform paneling may cause misleading about their material usage performances, since the results show contradictions among each other. Thus, quantitative material usage feedback by proposed used interface, contributes the design development phases of architectural freeform paneling processes. The approach of integrated design option generation and evaluation of performances could be mimicked in different planar paneling contexts like overlapped flat paneling; Evenmore, similar methodologies could be adapted for single and double curved paneling processes in further researches.

Benzer Tezler

Tez No
816000
Dialogue for all: Crafting inclusive and humanized voice assistants for diverse populations through an interdisciplinary approach
Herkes için diyalog: Farklı topluluklar için kapsayıcı ve insani sesli asistanlar oluşturmak üzerine disiplinler arası bir yaklaşım
YELİZ YÜCEL
Doktora
İngilizce
2023
İletişim Bilimleri Galatasaray Üniversitesi
Radyo Televizyon ve Sinema Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KEREM RIZVANOĞLU
Tez No
895346
Sayısal ortamda yaparak tasarlamanın bir yordamı olarak katlamak
Folding as a procedure of 'design through making' in digital medium
SAADET ZEYNEP BACINOĞLU
Doktora
Türkçe
2023
Endüstri Ürünleri Tasarımı İstanbul Teknik Üniversitesi
Bilişim Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ARZU ERDEM
Tez No
467256
Funport: An interactive public display that enhance the waiting experience at airport boarding lounges
Havalimanlarındaki bekleme deneyimini zenginleştirmek için etkileşimli kamusal ekran önerisi: Funport
CANDAN ERİM
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Mimarlık İstanbul Teknik Üniversitesi
Bilişim Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YÜKSEL DEMİR
Tez No
4715
Yer rezistivitesi ölçümünde mikrobilgisayar kullanımı
Başlık çevirisi yok
KAZIM ERBAY
Yüksek Lisans
Türkçe
1988
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Hacettepe Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VEYSEL SİLİNDİR
Tez No
855751
İlkokul öğrencilerinin bütünleşik FeTeMM eğitimi yoluyla bilgi işlemsel düşünme becerilerinin geliştirilmesi
Developing computational thinking skills of primary school students through integrated STEM education
SEVDE HİLAL ŞENSOY
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Eğitim ve Öğretim Manisa Celal Bayar Üniversitesi
Temel Eğitim Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FİLİZ MUMCU

Geri Dön