Modeling brick surfaces in historic buildings with design computation methods
Tarihi yapılarda tuğla yüzeylerin hesaplamalı tasarım yöntemleriyle modellenmesi
- Tez No: 783906
- Danışmanlar: PROF. DR. MİNE ÖZKAR KABAKÇIOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mimarlık, Architecture
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Bilişim Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 101
Özet
Hesaplamalı tasarım çalışmalarının son yıllarda artan bir şekilde mimari mirasa odaklanması her iki disiplinde ilerlemeleri beraberinde getirmektedir. Bu ilerlemelere katkı sunmak amacıyla tez çalışmasında Ortaçağ Anadolu'sunda tuğla duvar yapımınin incelenerecek tuğla yüzeylerin malzeme yapısı ile tasarım geometrisi arasındaki ilişkiyi modellenmesi için bir yöntem önerilmiştir. Ortaçağ Anadolu'sunda, İran'dan gelen zanaatkarların çıplak tuğla yüzeyler ile ilgili bilgi ve becerilerinin etkisi ile anıtsal mimaride tuğlanın yalnızca yapısal değil süsleme amaçlı kullanımında da gelişme görülmüştür. Geometri bilgisi ile birleşen yapım teknikleri kubbe, duvar, geçiş elemanları, tonoz, kemer, minare gibi çeşitli mimari elemanların tasarım ve üretiminde kullanılarak, aynı türde veya farklı türlerde tuğlaların çeşitli uzamsal ilişkiler ile bir araya gelmesi sonucunda geometrik düzene sahip bezemeler üretilmiştir. Literatür taraması bezemelerin geometrik düzenini ele alan birçok çalışma olmasına rağmen tuğla ile inşa etmeye yönelik geleneksel yöntem ve tekniklerin belgelenmesi konusunda eksiklikler olduğunu göstermiştir. Bu durum tarihi binaların korunması ve restorasyonu konusunda zorluklara yol açmaktadır. Tuğla yüzeylerin tasarım sürecinin bu yüzeylerin yapımlarında kullanılan malzeme ve tekniklerle ile bir arada ele alındığı kısıtlı çalışma olduğu, var olan mimari miras araştırmalarının bir araya getirilmesi ve yapıma odaklanarak detaylandırılması gerektiği görülmüştür. Ayrıca yapıların rölöve çizimleri ve restorasyon çalışmaları ile edinilen bilgilerin toplandığı ve paylaşıldığı bir ortam bulunmamaktadır. Bilgiye erişimin zorluğuyla birleşen belgeleme eksikliği bilgi birikiminin zaman içinde kaybolmasına sebep olmaktadır. Bu nedenle, biçim bilgisine ek olarak yapma bilgisini aktarmak, bilginin analizi, korunması ve uygulaması için bütünsel bir anlayış geliştirmek için önemlidir. Bu tez, Anadolu'daki anıtsal mimari yapılarda bulunan tuğla yüzeyler arasından seçilmiş örneklerin tasarım ve üretimini sağlayan gramerleri geliştirerek mimarlık tarihi ve yapı teknolojisi alanlarındaki engin bilgi birikimini bir araya getiren bir yöntem önermektedir. Tarihi tuğla yapıların tasarım prensiplerini malzeme ile inşa teknikleri ile birlikte dışsallaştırmayı, dijital ortama aktarmayı ve belgelemeyi hedefleyen bu yaklaşım, çağdaş araçlardan ve üretim teknolojisinden yararlanmaktadır. Tez kapsamında hesaplamalı tasarım araçları mimari tasarım sürecini yapım ile bir bütün olarak anlayan çalışmalar için ortak bir zemin sağlayarak mimari miras çalışmalarına yardımcı olacak bir araç olarak kullanılmaktadır. Tezin ilk bölümü, mimari miras araştırmalarında ölçme ve modelleme amaçlı dijital araçların kullanımına ve tarihi yapı bilgi modellerine değinmektedir. Çağdaş yöntem ve araçların mimari miras araştırmalarında yapıma dair bilgi birikimini koruma ve tasarımla ilişkilendirme amacıyla kullanılma potansiyeli tartışılmaktadır. Araştırma için hesaplamalı yöntem olarak biçim ve yapım gramerleri kullanılmıştır. Biçim gramerleri tasarlama eylemini şekiller aracılığı ile görsel düşünme ve akıl yürütme süreci olarak modelleyen üretken bir yöntemdir. Biçim gramerlerinin tasarım ve yapım sürecini bir bütün olarak ele alan uzantısı olan yapım gramerleri sadece geometri ve formu değil, aynı zamanda yapım sürecine dair bilgileri ve soyut nitelikleri de belgeleyerek, tarihi bina ve yapıların daha kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağlama, böylelikle mimari miras çalışmalarına katkı sunma potansiyeline sahiptir. Ancak, yöntemi mimari miras alanına entegre etmek ve tarihçiler ve koruma uzmanları için daha erişilebilir ve kullanışlı hale getirmek için daha fazla araştırma ve geliştirmeye ihtiyaç duyulmaktadır. İkinci bölümde, literatür taraması özellikle Ortaçağ Anadolu'suna odaklanarak geometrinin o dönem mimari tasarımındaki önemine değinmekte, tuğla yüzeyleri analiz etmek, tasarlamak ve üretmek için dijital araçların kullanımına ilişkin daha ayrıntılı bir genel bakış sunmaktadır. Üçüncü bölümde sunulan araştırma yönteminin ilk adımı, dönem, coğrafi konum,ve fonksiyon olarak benzerlik gösteren yapılarda bulunan tuğla yapı elemanlarının modellenmesini, analiz edilmesini ve dijital ortamda yeniden inşa edilmesini içerir. Örnekler, tuğla örgü ve örüntüsüne dair özgün özellikleri ile analiz ve belgeleme açısından ortaya koydukları zorluklar nedeniyle seçilmiştir. Örneklemi oluşturan elemanlar farklı renk ve şekillerdeki çıplak ve sırlı tuğlaların üç boyutlu ilişkileri sonucu ortaya çıkan soyut geometrik desenlere sahiptir. Yatay veya düşey-yatay örgü ile inşa edilmiş farklı eğriliklere sahip elemanlar seçilerek yapım bilgisinin yüzeyler arasında aktarılabilirliği tartışılmıştır. Yüzeylerin analizi amacıyla tarihi belgelerin ve arşiv kaynaklarının incelenmesinin yanı sıra Anadolu'daki Ortaçağ binalarında saha çalışması yapılarak ölçüm yapılmış ve fotogrametrik veriye dayalı nokta bulutu ve mesh modelleri oluşturularak fiziksel analiz yapılmıştır. Bu amaçla tek eğrili yüzey örnekleri olarak Harput Ulu Camisi (1144-1167) ve Erzurum Tepsi Minareli Cami'nin (12. yy sonları) minare gövdeleri ile Amasya Gök Medrese (1266-1267) ve Malatya Ulu Camisi'nde (1224) bulunan tonozların iç yüzlerini oluşturan tuğla örgüler seçilmiştir. Tek eğrili yüzey örnekleri mevcut literatüre ve yapı rölöve çizimlerine dayanarak analiz edilmiş ve modellenmiştir. İnce Minareli Medrese (1258-1265), Sahip Ata Hankahı (1269-1270) ve Beyşehir Eşrefoğlu Camisi (1297-1299) kubbelerinden oluşan ikinci örneklem grubunun analizi ve modellenmesi için fotoğraflardan, mevcut literatürden, yapı rölöve çizimlerinden ve fotogrametrik veriye dayalı nokta bulutu modellerinden faydalanılmıştır. Son olarak minare şerefesi örnekleri olan Akşehir Güdük Minareli Cami (1227), Akşehir Ulu Camisi (1213), Afyon Ulu Cami (1272-1277), Konya Sahip Ata Camisi (1277), ve Afyon Kuyulu Cami (yaklaşık 1250-1300) fotogrametrik veriye dayalı mesh modellerden ve saha çalışmasından elde edilen veriden faydalanılarak incelenmiştir. Bu çok yönlü yaklaşım sayesinde, örneklemde bulunan yüzeylerin parça ve bütün ilişkilerini modellemek için çeşitli kaynaklardan gelen bilgiler bir araya getirilmiştir. Seçilen örneklerin biçimsel özellikleri, tasarımın temelini oluşturan geometrik kompozisyonları ortaya çıkarmak için dijital modelleme araçları kullanılarak analiz edilmiştir. İkinci adım, parametrelerin tanımlanmasını içerir. Parametreler, mevcut yüzeylerin tektoniği hakkında bilgiler derlenerek geleneksel tasarım ve inşaat yöntemlerinin teknik bilgisini belgeleyen gramerlerin geliştirilmesini sağlayacak olan bilginin sentezi için ilk adımdır. Bu adımda kullanılan tuğla türlerini, boyutlarını ve tuğla yüzeylerin geleneksel yöntemler ile yapımında izlenen sıralı ve uzamsal aşamaları dikkate alan modüler bir yaklaşım kullanılmış ve yöntem aracılığıyla uygulamalı geometrinin potansiyel kullanımı tartışılmıştır. Araştırma, gözün farklı parça ve bütünleri algılama esnekliğini göz önüne alarak tek tek tuğlaların yanı sıra ve tuğla gruplarının oluşturduğu geometrik örüntü desenlerinin analizine iki boyutlu düzenlemelerden ziyade üç boyutlu birimler arasındaki yapısal ilişkilerin bir sonucu olarak odaklanmaktadır. Hem örüntünün biçimsel tasarımı, hem de yapım aşamasında uygulanan örgü için bir hesaplama ele alınmıştır. Örüntü birimleri tuğla ve harcın belirli örme teknikleri ile bir araya gelmesi ile elde edilen biçimler ile tanımlanmıştır. Aynı zamanda farklı yüzey türleri, geometrik düzen ve birimler bazında yapılan analizlerle birbiriyle ilişkilendirilmiştir. Böylece farklı yüzeylerdeki karmaşık desenlerin ardındaki tuğla örgü ve örüntüsünün yapısal düzeni ile minare şerefelerinin altındaki kornişlerdeki tuğla mukarnasların üç boyutlu nitelikleri incelenmiştir. Üçüncü adımda parametreler kullanılarak analiz edilen yüzeylerin yeniden oluşturulması için gerekli olan en az sayıda kural tanımlanmıştır. Kurallar analiz sürecine paralel şekilde örgü ve örüntü kuralları olarak ikiye ayrılır. Örgü kuralları tuğlaların uzamsal ilişkisini gösterirken örüntü kuralları, örgü sonucunda ortaya çıkan desenin geometrik düzenini tanımlar. Tanımlanan kural seti ile örgü ve örüntü birbiriyle ilişkili olarak üretilebilmektedir. Örgü kuralları ile birlikte örüntü kurallarının uygulanması sonuçlarda çeşitlilik olasılığını artırmaktadır.Yapım parametreleri, yüzeylerin genel düzeni değiştirmeden sonucun görsel özelliklerini değiştirebilmektedir. Son adım, gramerlerle oluşturulan tuğla örgü örneklerinin robotik fabrikasyon kodlarına dönüştürülmesi ve tuğlaların belirli bir düzende dizilmesi için 6 eksenli KUKA KRC2 robotik kol kullanılarak üretim denemeleri yapılmasıdır. Rhinoceros 3D programı içinde Grasshopper eklentisi olan KUKA PRC programlama dili kullanılarak robot kol için G-kodu komutları ve robotun izleyeceği yol oluşturulmuştur. İşlem kavrama özellikli uç ekipmanıyla tek tek tuğlaların alınmasını ve istenen düzende yerleştirilmesini içerir. Robotik fabrikasyon, potansiyel olarak yapılacak işi insan işçilerden daha hızlı ve doğru bir şekilde tamamlayabilir. Bununla birlikte, araştırma kapsamında kısıtlı çalışma alanı, tuğlalar için malzeme seçimi, yazılım ve donanımın eskiliği ve geleneksel ve robotik tuğla örme süreçleri arasındaki farklar gibi çeşitli kısıtlar vardır. Bu kısıtlara rağmen tez çalışması, robotik fabrikasyonun tarihi tuğla örgü teknikleri ve örüntüleri hakkındaki bilgileri belgelemek ve aktarmak için kullanılan iş akışının bir parçası olabileceğini ve koruma ve restorasyon çalışmalarıyla entegre edilebileceğini göstermektedir. Robotun tuğlayı alması ve yerleştirmesi ustanın hareketleri taklit etse de, yapım parametreleri analog üretim yöntemlerinden farklıdır. Üretim denemeleri aracılığı ile malzeme özelliklerinin, araçların ve üretimi yapan kişinin eylemleri ve bunun robot ile üretim ile benzerlikleri ve farklılıkları tartışılmıştır. Araştırma, önerilen yöntemin mimari mirasın belgelenmesine yardımcı olabileceğini ve tarihi yapı bilgi modellerine (HBIM) aktarılan bilgilerin koruma ve restorasyon çalışmaları ile bütünleştirilmesine katkı koyulabileceğini varsaymaktadır. Gelecek çalışmalar, gramerlerin daha fazla örneğin incelenmesi ile iyileştirilmesini, farklı malzemelerin kullanımı, üretim süreci planlaması ve daha fazla örneğin üretilmesi ile robotik üretim sürecinin geliştirilmesini içermektedir.
Özet (Çeviri)
Studies in computational design have increasingly turned to architectural heritage in recent years, and this interest has helped the advancement of both disciplines. This thesis aims to contribute to the field by exploring examples of brickwork from Medieval Anatolia and modeling the correlation between the material construction of brick surfaces and the design geometry. Medieval Anatolia saw a flourishing of brick-built structures with the effect of Iranian bricklaying tradition, a testament to the skill and artistry of the craftsmen who built them. However, the preservation and restoration of these historic buildings present challenges. Traditional methods and techniques for building with bricks are insufficiently documented or existing documentation is not shared in a common platform. The lack of documentation combined with the difficulty of access to information makes it challenging to restore architectural heritage elements accurately, and the know-how gets lost through time. This thesis proposes a method for bridging the knowledge from the disciplines of architectural history and building technology by developing grammars that enable the production of selected samples of brick elements in monumental architecture in Anatolia. The design reasoning behind historical brick structures is externalized and transferred to the digital environment. This approach intends to preserve and transfer the construction techniques and materials used in these historic buildings while utilizing contemporary tools and fabrication technology. We aim to use computational design tools as a medium to assist architectural heritage studies by providing a common ground for studies that understand the architectural design process as a whole with making. The first chapter of the thesis presents a discussion of the use of digital tools in heritage studies for surveying and modeling purposes, heritage building information models (HBIM), and the importance of preserving the know-how in heritage studies, relating construction techniques and materials to the design process. We use shape and making grammars as computational approaches for our formalization. Shape grammars are developed to formalize the visual thinking and reasoning of design as well as generative processes with shapes. Their extension, making grammars that formalize the design and making process, are discussed with their applications. Making grammars have the potential to contribute to heritage studies by providing a more comprehensive understanding of historical buildings and structures by documenting not just the geometry and form but also the know-how and intangible qualities of the construction process. However, there is still a need for further research and development to integrate these methods into the architectural heritage field and make them more accessible and useful to historians and conservation specialists. In the second chapter, the literature review addresses the importance of geometry in architectural design in the early Islamic period, with a particular focus on Medieval Anatolia, and provides an overview of the use of digital tools to analyze, design, and produce brick surfaces. The first step of the method of the research involves modeling, analyzing, and reconstructing selected cases of brickworks with complex geometric patterns, aesthetic appeal, and different curvatures that are also used as decorations in addition to their structural function (single-curved surfaces, domes, and corniches below minaret balconies). The cases were chosen due to their unique characteristics and the challenges they present in terms of analysis and documentation. The similarity in the period, geographical region, function, and materialization of abstract geometric patterns through the bricklaying is considered. The analysis includes the examination of historical documents and archival sources, as well as the physical analysis of brickwork samples from medieval buildings in Anatolia. Through this multi-faceted approach, we combine information from various sources to model the parts and wholes of the sample cases. The formal features of the selected cases are analyzed using digital modeling tools to uncover the underlying geometrical compositions. The second step is the synthesis of the information, which will involve the definition of parameters and the development of grammars that capture the know-how of traditional design and construction techniques, formalizing information on the tectonics of existing surfaces. A modular approach has been used that takes into account the types of bricks used, their sizes, and the sequential and spatial stages followed in the traditional construction of brick surfaces. The potential use of practical geometry is discussed and demonstrated through the method. The research focuses on the flexibility in the perceiving of parts and wholes and the analysis of patterns as a result of constructional relations between three-dimensional units rather than two-dimensional arrangements. The parts of these compositions are obtained through a specific material application and bricklaying technique. The production parameters can change the visual characteristics of the results without altering the overall order. Different surface types are associated with each other through analysis based on the geometrical layout and the units. The constructional logic and order of bricklaying behind complex patterns on different surfaces are examined, as are the three-dimensional qualities of brick muqarnas on corniches below minaret balconies. The third step involves the definition of the least number of rules required for the recreation of the analyzed surfaces. There are two types of bricklaying rules namely, the brick rules and the pattern rules. Brick rules define the three-dimensional relation between two adjacent bricks and the shapes and dimensions of the bricks through the use of parameters. Pattern rules define the geometrical order of the emerging pattern due to bricklaying. The final step is the conversion of the bricklaying generated with the grammars into robotic fabrication codes and fabrication using a 6-axis robotic arm, KUKA KRC2, to lay bricks in a specific pattern. The KUKA PRC programming language is used in Grasshopper in Rhinoceros to generate G-code commands and toolpaths for the robotic arm. The process involves picking up individual bricks with specialized gripping equipment, called an end-effector, and placing them in the desired layout. Robotic fabrication can potentially complete tasks more quickly and accurately than human workers. However, it also has several limitations, including restricted working space, the selection of stand-in materials for the bricks, the age of the software and hardware, and the differences between manual and robotic bricklaying processes. Despite these limitations, the research suggests that robotic fabrication can be part of the workflow used to document and transfer knowledge about historical bricklaying techniques and can be integrated with conservation and restoration efforts. Although the pick-and-place application of a brick with a robotic arm mimics the movements of a craftsman, the construction parameters are different from analog production methods. Through the production trials, the importance of material properties, tools, and the actions of the maker and their differences with robotic production are discussed. We suggest that the proposed method can assist in the documentation of architectural heritage and can be integrated with conservation and restoration efforts through the use of heritage building information models (HBIM). Further studies include the improvement of the grammar with more examples, the robotic fabrication process with the use of different materials, and the implementation of different brick designs.
Benzer Tezler
- Dolapdere semti ve Evangelistria Rum Ortodoks Kilisesi koruma önerileri
Conservation proposal for district of Dolapdere and Evangelistria Greek Orthodox Church
ESİN AŞIK
Doktora
Türkçe
2015
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE ZEYNEP AHUNBAY
- Integrating a scale transition system into the scan-to-HBIM process
Taramadan tarihi yapı bilgi modeline geçişte ölçekler arası ilişkilerin bütünleştirilmesi
BERKAY ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MİNE ÖZKAR KABAKÇIOĞLU
- Lifli polimerle güçlendirilmiş yığma duvarların modellenmesi
Numerical modeling of unreinforced masonry walls strengthened with fiber reinforced polymers
OKTAY JAFAROV
Doktora
Türkçe
2012
İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİLGE DORAN
PROF. DR. H. ORHUN KÖKSAL
- Seismic analysis of an ancient lighthouse by meso-scale modeling technique
Orta seviye detaylı modelleme tekniği ile antik bir deniz fenerinin sismik analizi
SAFİYULLAH ÜVEYS GÖZÜN
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
İnşaat Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsüİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İZZET ÖZDEMİR
DOÇ. DR. CEMALETTİN DÖNMEZ