Geri Dön

Performative analysis and design of a responsive gyroid shading system for façades

Cepheler için duyarlı gyroid gölgeleme sisteminin performatif analizi ve tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 783902
  2. Yazar: DENİZ TUTUCU
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ETHEM GÜRER
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilim ve Teknoloji, Mimarlık, Science and Technology, Architecture
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Bilişim Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 115

Özet

Binaların enerji performansını etkileyen yapı elemanlarından olan bina kabuğu tasarımı, enerji tüketiminin ve karbon emisyonlarının azaltılması açısından önemlidir. Bina kabuğu, inşaat maliyetlerinin önemli bir bölümünü oluşturur ve işletme maliyetleri üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir. Güneş kontrol sistemleri, doğal gün ışığı kaynağından yararlanmak ve binaların enerji verimliliğini artırmak için bina kabuğu tasarımına dahil edilir. Bu, özellikle ışık ve termal enerji endişelerinde ve binaların yüksek enerji tüketiminde önemlidir. Güneşten gelen doğal ışık veya gün ışığı, binalarda yapay aydınlatma ihtiyacını azaltmak için kullanılabilir. Mimari bir cephedeki pencereler, doğal ışığın girmesine izin vererek ısıtma, soğutma ve aydınlatma için enerji tüketimini azaltmaya yardımcı olabilir. Bir binanın aldığı gün ışığı miktarı, bulunduğu yere, yılın zamanına ve hava durumuna bağlı olabilir. Cephe, bir binanın dış yüzeyini tanımlar ve sıcak, soğuk, rüzgar ve yağmur gibi doğal unsurlara karşı koruyucu bir bariyer görevi görür. İç ve dış mekan arasında bir geçiş bölgesidir ve doğal ışığın iç mekanlara girmesini sağlar. Cephe sokaktan görülebilir ve estetik değere sahiptir. Ayrıca kendi ve diğer yapı bileşenlerinin ağırlığının taşınmasını da destekler. Ana işlevi, yapıyı çevresel faktörlerden korumak ve iç ve dış mekanlar arasında görsel iletişim sağlamaktır. Gün ışığı ile mimari cephe ilişkisi sonucunda cephenin alt elemanı olan güneş kırıcı sistemler ortaya çıkmıştır. Güneşten cepheye doğru gelen direkt doğal gün ışığı kontrolsüz olduğunda iç mekanda aşırı ısınma ve parlama sorunlarına neden olabilir. Ancak gereğinden az olan gün ışığı durumlarında ise iç mekan kullanım kalitesinde de sorunlara neden olur. Bu nedenle mevcut güneş kırıcı çeşitleri incelenmiş ve geleneksel olarak kullanılan yatay ve dikey panellerin yerine kullanılabilecek, her ikisinden de özellik taşıyan tek bir güneş kırıcı formu üzerinde çalışılmıştır. Bu çalışmada çözülmesi gereken temel sorun, güney cephesinde geleneksel olarak kullanılan yatay paneller ile doğu ve batı cephesinde konumlanan dikey panellerin birbirinin yerine kullanıldığında gerekli gölgelemeyi sağlamamasıdır. Bunun yerine her iki kesiti aynı anda içeren Gyroid yüzey kullanılarak tepkisel bir cephe sistemi önerilerek bu soruna çözüm aranmıştır. Böylece cephede tek bir form kullanılarak hem güneyde hem de doğuda ve batıda koruma sağlanması temel amaç olmuştur. Bu nedenle bu çalışmada cephe için üretilen bu parametrik güneş kırıcının belirli bağlamlarda tepkisel olarak çalışması istenmiştir. Ana hedef gölgeleme olduğu için çalışmada bu cepheyi etkileyen içerik olarak güneş konumu seçilmiştir. Çalışma, iç mekan gölgeleme ihtiyacını karşılamak için kullanılan gölgeleme sistemlerine yönelik örneklerin ve tasarım kriterlerinin gözden geçirilmesiyle başlamıştır. Araştırma, gün ışığının olumlu ve kontrolsüz gün ışığının olumsuz etkileri de dahil olmak üzere gün ışığının gerekliliği üzerine başladı. Daha sonra mimari cephe nedir sorusuna cevap aranarak ve mimari cephenin ana görevleri, cephede enerji verimliliğinin önemi ve enerji verimli bir cephenin tasarımının parametreleri üzerine tartışılmıştır. Birinci bölümün sonunda, çalışmada güneş kırıcı elemanların farklı kişiler tarafından yapılmış çeşitli sınıflandırmalarına bakılmış ve farklı sistemlerde kullanılan başlıklar birleştirerek yeni bir sınıflandırma önermiştir. Bu sınıflandırma, gölgeleme sistemlerini ilk olarak doğal ve yapay öğeler olarak ayırırken, yapay öğeler ayrıca sabit ve değişen olarak ayrılmıştır. Daha sonra farklı tipteki güneş kırıcı elemanlar ayrı ayrı incelenmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında, Grasshopper yazılımı kullanarak duyarlı bir Gyroid güneş kırıcı sistemi tasarlamak için parametrik modelleme yöntemi kullanılmıştır. Üçlü periyodik minimal yüzeyler arasında bir temel birimin üç farklı açıda tekrarlanmasıyla elde edilen üç farklı geometri ele alınmıştır. Ele alınan bu geometriler sırasıyla Schwarz D, Gyroid ve Schwarz P yüzeyleridir. Bu yüzeylerin oluşturulmasında sırasıyla 0, 38.01 ve 90 derecelik Bonnet açısı değerleri kullanılmıştır. Grasshopper yazılımında bu geometrilerin matematiksel denklemleri geometrik yüzeyler olarak üretilmiş olup daha sonra bu üç yüzeyin kesiti alınarak hem dikey hem de yatay kesit veren Gyroid yüzeyi ile çalışmaya devam edilmiştir. Çalışmaya Gyroid yüzeyin periyodik olarak tekrarlanmasına izin veren mozaikleme sistemi tanıtılarak devam edildi. Tanıtılan iki boyutlu ve üç boyutlu mozaikleme yöntemleri arasında birim küp olan Gyroid yüzeyinin sınırlayıcı kutusu dikkate alınarak üç boyutlu küp mozaikleme yöntemi kullanılmıştır. Seçilen bu form ile tepkisel Gyroid yüzeylerin yerleştirileceği strüktürel bir sistem önerilmiştir. Taşıyıcı sistemin her birim küpünün kenar uzunluğu, grid boyutu altında bir parametre olarak tanımlanır. Bu sayede cephe ölçülerine uygun tekrarlarla grid sistem kurgulanması planlanmıştır. Bu sistem cepheye dışarıdan dahil olacak ve içerdiği halkalar ile Gyroid yüzeyinin köşe noktalarından deformasyonu gerçekleştirecektir. Deformasyon için bir etki nokta belirlendi. Öncelikle bu etki noktasının yeri cephenin arka yüzeyi olarak belirlendi. Bu konumdan cephenin ön yüzeyini arkaya doğru çeken bir deformasyon tanımlanmıştır. Bu, 2 m yarıçaplı bir deformasyonu tanımlar ve deformasyonun merkezinde cephe kalınlığını 5 cm'ye düşürür. Amaç, yıllık güneşe maruz kalma analizi olduğu ve gölgeleme miktarının ölçülmesi olduğu için cephenin kalınlığını güneşin konumuna göre ayarlayacak bir etki noktası tanımlamaktır. Ancak farklı bağlamların olabileceği düşüncesi üzerine de düşünülmüştür. Bu olası diğer bağlamlar aşağıdaki gibi sıralanabilir. Bir nokta deformasyon sağlanarak, nokta merkezli bir daire ile deformasyon elde edilebilir. Burada asıl etki, kenarlara yaklaştıkça azalan deformasyon miktarı iken, kenarlarda sıfır, çemberin merkezinde tam bir deformasyon olarak kısaca özetlenebilir. Cephede konumlanan bir eğri, başka bir çekici olarak değerlendirilebilir. Yine eğri merkezinden bir öteleme değeri belirlenerek deforme edilecek alan tanımlanabilir. Burada da merkezden kenarlara doğru kademeli olarak deformasyon sıfırlanacaktır. Bağlam belirlenirken kullanıcı tanımlı veya kullanıcı tanımsız olan doğal veriler kullanılabilir. İç mekana kurulacak interaktif ekran ile cephenin deformasyonu kullanıcının tanımına bırakılabilir ve cepheyi etkileyen nokta veya eğri formuna ve konumuna iç mekanda bulunan kullanıcı karar verebilir. Veya bu sistem sabit bir veri sağlayan bir dış faktöre bağlanabilir. Örneğin bu çalışmada kullanılan güneş konumu günlük ve yıllık veriler sağlayabilir ve bu deformasyon noktasının cephedeki hareketi güneş konumuna göre değişiklik gösterebilir. Yine dışarıda bir kent simgesi gibi bir nokta varsa, içeridekilerin görüşünü bu kent simgesine yönlendirmek için cephedeki nokta buna göre seçilebilir. Çalışmanın üçüncü aşamasında, Grasshopper yazılımı kullanılarak geliştirilen tepkisel Gyroid güneş kırıcı sistemi, çeşitli kısıtlamalara tabi tutulmuş ve yıllık güneşe maruz kalma ve iç mekandan dış mekanı görüş oranı analizleri yapılmıştır. Sistem, 30cm x 30cm, 60cm x 60cm, 90cm x 90cm ve 120cm x 120cm grid boyutları için ortak ölçü olan 360cm yüksekliğinde ve 720cm genişliğindeki dikdörtgen bir cephe yüzeyinde test edilmek üzere sınırlandırılmıştır. Izgaralar içindeki üç boyutlu Gyroid yüzeylerinin kalınlığı 10 cm ile 30 cm arasında değişebilir. Bu aralıkta herhangi bir değere sahip olmakla birlikte, çalışma açısından sınırlandırılmış ve 10cm, 20cm ve 30cm olarak uç ve orta değerlerde test edilmiştir. Cephe beş farklı mekan konfigürasyonunda test edilmiştir. Bunlar deforme olmamış Gyroid cephe, deforme olmuş Gyroid cephe, farklı oda tipolojilerine sahip, geleneksel yatay paneller ve geleneksel dikey panellerdir. Analiz sadece güneye ve batıya bakan cephede gerçekleştirilmiş ve toplamda 120 farklı cephe ve mekan senaryosu elde edilmiştir. Yıllık güneşe maruz kalma analizi aşağıdaki sonuçları vermiştir. Tepkisel sistemi olmayan deforme olmamış cephede, kalınlığın 10 cm'den 30 cm'ye çıkarılması, iç mekanın daha fazla gölgelenmesine neden olmuştur. Öte yandan, cephedeki ızgara yapının boyutunun büyütülmesi, Gyroid birimin sahip olduğu boşluklardan içeriye daha fazla gün ışığı girmesini ve gölgelemenin azalmasına sebep olmuştur. Deforme olmuş, duyarlı cephe sistemi, cephe kalınlığı azaldıkça içeriye giren doğrudan gün ışığında bir artış meydana getirmiştir. Bu, duyarlı sistemin LEED standartlarında gölgelendirmeyi başardığını ve aynı zamanda gün ışığının iç mekana daha fazla ulaşmasını sağladığını göstermiştir. Gyroid güneş kırıcı tasarımı, özellikle güneye bakan cepheler için önerilen yatay panellerle karşılaştırıldığında, aynı cephe kalınlığındaki geleneksel yatay ve dikey elemanlardan daha iyi performans göstermiştir. Tüm ölçü değerlerinde en iyi gölgelemeyi gyroid güneş kırıcılar sağlamıştır. Farklı tipteki mekan geometrileri üzerinde yapılan analizlerin sonuçları, sabit cephe kalınlığı ve ızgara boyutu değerlerinde mekan geometrisinin değiştirilmesinin, farklı seviyelerde yıllık güneşe maruz kalma ile sonuçlandığını göstermiştir. İç mekan yüksekliğinin artmasının yıllık güneşe daha fazla maruz kalmasına neden olduğu bulunmuştur. Ayrıca, iç mekana iki kat arasına bir asma kat eklenmesi, gün ışığının iç mekana daha fazka nüfuz etmesini sağlamış ve gün ışığındandan daha fazla yararlanmayı sağlamıştır. Genel olarak, bir bina tasarlanırken mekan geometrisinin yıllık güneşe maruz kalma süresi üzerindeki etkisinin yanı sıra, içeriye giren ışık ve ısı miktarını kontrol etmek için cephe üzerinde duyarlı sistemlerin ve diğer güneş kırıcı tekniklerin kullanılması önemlidir. Görüş analizi sonuçları, deforme olmamış Gyroid güneş kırıcı geometrisini kullanan sistemin, geleneksel yatay ve dikey panjurlara kıyasla daha düşük kaliteli bir görüş yüzdesi ile sonuçlandığını gözlemlenmiştir. Spesifik olarak, ızgara boyutu arttıkça kaliteli görüş yüzdesi %1,54'ten %16,67'ye yükseldi. Buna karşılık, geleneksel yatay ve dikey panjurlar, neredeyse her zaman aynı ızgara ve kalınlık değerlerinde %100'e yakın kaliteli bir görüşe olanak sağladığı gözlemlenmiştir. Tepkisel Gyroid güneş kırıcı sistemi, geleneksel yatay ve dikey panjurlar yerine %11,28 ila %53,49 arasında değişen değerlerle daha düşük kaliteli bir görüş aralığına sahipti. Bu bulgular, deforme olmuş gyroid gölgeleme geometrisini kullanan duyarlı sistemin, gölgeleme ihtiyacını dengelemek ve görünümleri korumak için uygun bir seçim olabileceğini, geleneksel yatay ve dikey panjurların ise daha yüksek bir görüş seviyesi sağlayabileceğini ancak potansiyel olarak gölgelemeyi engelleyebileceğini göstermektedir.

Özet (Çeviri)

The design of building envelopes, which are the structural elements that passively affect the energy performance of buildings, is important for reducing energy consumption and carbon emissions. The building skin makes up a significant portion of construction costs and can have a significant impact on operating costs. Solar control systems can be incorporated into building envelope design to make use of natural daylight source and improve the energy efficiency of buildings. This is particularly important in light and thermal energy concerns and the high energy consumption of buildings. Natural light from the sun, or daylight, can be used to reduce the need for artificial lighting in buildings. The windows in an architectural façade allow natural light to enter, which can help to lower energy consumption for heating, cooling, and lighting. The amount of daylight a building receives can depend on its location, the time of year, and the weather. The facade is the front of a building and serves as a protective barrier against natural elements like heat, cold, wind, and rain. It is a transition zone between the interior and exterior and allows natural light to enter the interior spaces. The facade is visible from the street and has aesthetic value. It also supports the weight of its own and other building components. Its main function is to protect the building from environmental factors and provide visual communication between the indoor and outdoor spaces. As a result of the relation between daylight and architectural façade, sun shading systems, a sub element of façade, have emerged. When the direct natural daylight coming from the outside of the facade is uncontrolled, it can cause overheating and glare problems of the interior. However, in cases where it is less than necessary, it also causes problems in indoor use quality. For this reason, the existing sunshade types have been examined and a sunshade form that can be used instead of the traditionally used horizontal and vertical louvers, which has features from both, has been studied. The main problem to be solved in this study is that the traditionally used horizontal louvers on the south façade and the vertical louvers positioned on the east and west façade do not provide the necessary shading when used interchangeably. Instead, a solution to this problem was found by proposing a responsive facade system by using the Gyroid surface, which contains both cross sections at the same time. Thus, by using a single form on the façade, providing protection both in the south and in the east and west has been the main goal. Therefore, in this study, this parametric sunshade produced for the facade was requested to work responsively with certain contexts. Since the main target is shading, the sun position was chosen as this attractor context in the study. The study began by reviewing examples and design criteria for shading systems used to meet the need for indoor shading. The research focused on daylighting, including the positive and negative effects of uncontrolled daylighting. The architectural façade was then defined and its main role, the importance of energy efficiency, and the design parameters of an energy efficient façade were discussed. At the end of first part, the study looked at various classifications of sun shading elements and proposed a new classification by combining elements from different systems. This classification divided shading systems into natural and artificial elements, with artificial elements further divided into fixed and adjustable. The different types of sun shading elements were then examined as individually. In the second phase of the study, the parametric modeling method was employed to design a responsive Gyroid sunshade system using the Grasshopper environment. Three different geometries obtained by repeating a basic unit at three different angles among triply periodic minimal surfaces are discussed. These geometries considered are Schwarz D, Gyroid and Schwarz P surfaces, respectively. Bonnet angle values of 0, 38.01 and 90 degrees, respectively, were used in the formation of these surfaces. In Grasshopper software, the mathematical equations of these geometries are produced as geometric surfaces. Then, the cross-section of these three surfaces was taken and the work was continued with the Gyroid surface, which gives both vertical and horizontal sections. The tessellation system, which allows for the periodic repetition of the Gyroid surface, was also introduced. Among the two dimensional and three dimensional tessellation methods introduced, the bounding box of the Gyroid surface, which is a unit cube, is taken into account and the three dimensional cube tessellation form is used. With this chosen form, a structural system has been proposed in which responsive Gyroid surfaces will be placed. The edge length of each unit cube of the structural system is defined as a parameter under the Grid Size. In this way, it is planned to construct a grid system with an appropriate repetition in the dimensions of the façade. This system will be included in the facade from the outside and will perform the deformation from the corner points of the Gyroid surface with the rings it contains. An attractor point for deformation was determined. First of all, the location of this attractor point is the back surface of the facade. From this position, a deformation is defined that pulls the front surface of the façade. This defines a deformation with a radius of 2m and reducing the facade thickness to 5cm at the center of the deformation. The goal was to define an attractor point that would adjust the thickness of the facade based on the position of the sun but it has also been studied that there may be different contexts. These other contexts can be listed as follows. By providing a point deformation, deformation can be achieved with a point centered circle. Here, the main effect can be briefly summarized as a complete deformation in the center of the circle, while it is approximately zero at the edges and zeroing at the edges. A Curve positioned on the façade can be considered as another attractor. Again, by determining an offset value from the curve center, the area to be deformed can be defined. Also in here, the deformation will be reset gradually from the center to the offset edges. While determining the context, user defined or natural data can be used. With an interactive screen to be set up indoor space, the deformation of the facade is left to the user's definition, and the interior user can decide on the point or curve position that affects the facade. Or this system can be connected to an external factor that provides a constant data. For example, the sun position used in this study can provide daily and annual data, and the movement of this deformation point on the facade may vary according to the sun position. Again, if there is a landmark outside, the point on the façade can be selected accordingly in order to direct the view of those inside to this landmark. In the third stage of the study, the responsive Gyroid sunshade system, which had been developed using the Grasshopper environment, was subjected to various constraints and analyzed for annual sun exposure and outdoor views. The system was limited to be tested on a rectangular facade surface of 360cm in height and 720cm in width, which is the common measurement for the grid dimensions of 30cm x 30cm, 60cm x 60cm, 90cm x 90cm, and 120cm x 120cm. The thickness of the three dimensional Gyroid surfaces within the grids was varied between 10cm and 30cm. Although it has any value in this range, it has been restricted in terms of operation and has been tested at the extreme and middle values as 10cm, 20cm and 30cm. The facade was tested in five different configurations: undeformed, deformed, with different room typologies, with traditional horizontal louvers, and with traditional vertical louvers. The analysis was conducted on the south and west facing facade only, resulting in a total of 120 different scenarios. The annual sun exposure analysis produced the following results. In the undeformed facade without a responsive system, increasing the thickness from 10cm to 30cm resulted in more shading to indoor space. On the other hand, increasing the size of the grid structure on the facade led to more daylight entering the interior by the gaps from the Gyroid unit and reduced shading. The deformed, responsive facade system showed an increase in direct daylight entering the interior as the facade thickness decreased. This indicates that the responsive system achieved shading within LEED standards while also allowing for more daylight to reach the interior space. The Gyroid sunshade design performed better than traditional horizontal and vertical elements at the same facade thickness, especially when compared to horizontal louvers, which are recommended for south facing facades. The gyroid sunshades provided the best shading in all dimension values and façade direction. The results of the analysis of different types of test rooms showed that changing the space geometry at constant facade thickness and grid size values resulted in varying levels of annual sun exposure. It was found that increasing the indoor height resulted in more annual sun exposure. Moreover, adding a mezzanine with a height of two floors to the interior space resulted in more direct daylight exposure. Overall, it is important to consider the impact of space geometry on annual sun exposure when designing a building, as well as the use of responsive systems and other techniques to control the amount of light and heat entering the interior. The view analysis results indicated that the responsive system using the undeformed gyroid shading geometry resulted in a lower quality view percentage when compared to traditional horizontal and vertical louvers. Specifically, the quality view percentage increased as the grid size and facade thickness increased, ranging from 1.54% to 16.67%. In contrast, traditional horizontal and vertical louvers almost always provided a quality view close to 100% in the same grid and thickness values. The responsive gyroid sun shading system had a lower quality view range instead of traditional horizontal and vertical louvers, with values ranging from 11.28% to 53.49%. These findings suggest that the responsive system using the deformed gyroid shading geometry may be a suitable choice for balancing the need for shading and preserving views, while traditional horizontal and vertical louvers may provide a higher level of view but potentially obstruct shading.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    632750

    Immersive design environments for performative architectural design: A BIM-based approach

    Performans temelli mimari tasarım için üç boyutlu tasarım ortamları: BİM tabanlı bir yaklaşım

    ŞAHİN AKIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    MimarlıkOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İPEK GÜRSEL DİNO

    YRD. DOÇ. DR. ELİF SÜRER

  2. Tez No

    817142

    Making sense of data within the context of user-centered design: A study on amateur running

    Kullanıcı odaklı tasarım bağlamında veriyi anlamlandırmak: Amatör koşu üzerine bir çalışma

    İREM GENÇ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Endüstri Ürünleri Tasarımıİstanbul Teknik Üniversitesi

    Endüstriyel Tasarım Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGE ÇELİKOĞLU

  3. Tez No

    609569

    Kentsel çevre ve yeşil altyapı bağlamında açık alanların performanslarının değerlendirilmesi ve optimizasyonuna yönelik parametrik bir model önerisi

    A parametric model roposal for optimization analysis of urban open space performance in the context of green infrastructure and urban environment

    SAFİYE ELİF SERDAR YAKUT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Peyzaj Mimarlığıİstanbul Teknik Üniversitesi

    Peyzaj Mimarlığı Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MELTEM ERDEM KAYA

  4. Tez No

    877214

    A framework for the embodiment of empathy in design education: Exploring empathic perspective-taking of design teachers in design conversations

    Tasarım eğitiminde empatinin somutlaşması için bir çerçeve: Tasarım eğitmenlerinin tasarım konuşmalarındaki empatik bakış açılarını keşfetmek

    PELİN EFİLTİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Endüstri Ürünleri Tasarımıİstanbul Teknik Üniversitesi

    Endüstriyel Tasarım Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. KORAY GELMEZ

  5. Tez No

    363036

    Açık ofis tasarımlarında performatif kişisel mekan örgütlenmesi

    Performative personal space organization for open office designs

    SEMA SADE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    İç Mimari ve DekorasyonBeykent Üniversitesi

    İç Mimarlık Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. FİTNAT CİMŞİT KOŞ

Geri Dön