Mimarlıkta sürdürülebilir cephe tasarımı üzerine bir metodoloji: Hücresel özdevinim, çevresel performans ve atık malzeme kullanımının bütünleştirilmesi
A methodology for sustainable facade design in architecture: Integration of cellular automata, environmental performance and waste material utilization
- Tez No: 921797
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SEVİL YAZICI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mimarlık, Architecture
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- 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: 143
Özet
Günümüzde hızla artan nüfus ve bununla bağlantılı olarak artan konut talebi, yapı malzemelerine olan talebi arttırmasının yanında ciddi bir inşaat atığı sorununu da beraberinde getirmiştir. Özellikle son yıllarda yürütülen çalışmalar, atıkların geri dönüştürülmesi, daha az atık oluşturacak şekilde üretme yollarının irdelenmesi ve malzemenin yeniden kullanımı gibi konular üzerinden bu soruna çözüm üretmeye çalışmaktadır. Bu doğrultuda, çalışma kapsamında hesaplamalı tasarım yaklaşımları, sorunları bütünleşik olarak değerlendirerek sürdürebilir uygulamalardaki süreçlerin etkinliğinin arttırılmasında kullanılmıştır. İnşaat sektöründe oluşan atıklar toplam katı atık miktarının %30 ila %40'ını oluşturmaktadır. Atıkların geri dönüştürülerek tekrar kullanım olanağının elde edilmesi kritik önem taşımaktadır. Özellikle inşaat molozunun çeşitli işlemlerden geçirilmesiyle elde edilen geri dönüştürülmüş agregaların çeşitli doğal bağlayıcı malzemelerle karıştırılmasıyla farklı özelliklerde karışımlar elde edilebilmektedir. Bu karışımların mevcut çalışmalar kapsamında dayanım, hafiflik, çevre etkisi gibi nitelikleri incelenmiş olup, tez kapsamında önerilen malzemelerin, algoritmik tasarım ve performans-tabanlı tasarım yöntemleri kullanılarak bir güneş kırıcı sisteminde kullanılması önerilmiştir.Tezin amaçlarından biri olan atık malzemenin tekrar kullanımı sonucunda geleneksel yapı malzemelerine sürdürülebilir bir alternatif üretilmesi ve bu malzemenin yaygın kullanımının teşvik edilmesi için malzemenin cephe tasarımındaki olası kullanım şekilleri irdelenmiştir. Bu süreçte tasarım aşamasına performans-tabanlı tasarım yöntemlerinin entegre edilmesi ile farklı koşullara uyarlanabilir, özgün, işlevsel tasarım alternatifleri elde edilerek, malzemenin yaygın kullanımının teşvik edilmesi hedeflenmiştir. Tezde öncelikli olarak hesaplamalı tasarım ve performans-tabanlı tasarım yöntemleri incelenmiştir. Çok sayıda geometrinin denenebilmesi, tasarım ve uygulama sürecinin kolaylaştırılması, değişken tasarım parametrelerine ve işlevlere adapte edilebilmesi gibi sebeplerden ötürü hesaplamalı tasarım yöntemleri sürece dahil edilmiştir. Çalışma kapsamında, sistemdeki elemanların diğer komşu elemanlar ile belirli kurallar doğrultusunda etkileşimi ile tasarım sürecinin ilerletildiği Hücresel Özdevinim yöntemi kullanılmıştır. Buna ek olarak, tez kapsamında dünya genelinde çeşitli atık malzemelerin dönüştürülmesiyle elde edilen malzemeler ve bu malzemelerin kullanım alanları incelenmiş olup, bu yöntemlerden, katı atık olarak en önemli problemlerden biri olan inşaat molozunun geri dönüştürülmesine odaklanılmıştır. İncelenen çalışmalara bağlı olarak, en düşük kütle yoğunluğunu sağlayan ve aynı zamanda yeterli dayanıma sahip karışım oranları seçilmiş, ilgili malzeme güneş kırıcı blokların üretiminde kullanılmıştır. Tasarım sürecindeki parametreler ve kurallar, üretilen alternatiflerin performatif özelliklerinin test edilmesi ve seçilen alternatifin uygulanma süreci olmak üzere önerilen sistemin tasarım, benzetim (simülasyon) ve üretim aşamaları tezde sunulmuştur. Çalışmada hücresel özdevinim sürecinde kullanılacak temel kurallar bir kod aracılığı ile algoritmik tasarım modelleme ortamına aktarılmış, farklı kuralların çeşitli parametreler kullanılarak uygulanması ile çeşitli güneş kırıcı yerleşim alternatifleri elde edilmiştir. Elde edilen yerleşim alternatifleri güneşlenme analizleri gerçekleştiren benzetim programları kullanılarak test edilmiş ve belirli performatif kriterleri sağlayıp sağlamadığı ölçülmüştür. İstenilen değerleri sağlayan alternatifler, çeşitli kriterler üzerinden elenerek tasarımcı tarafından uygulanacak alternatife karar verilerek, uygulama aşamasına geçilmiştir. Önerilen metodoloji, bir vaka çalışması kapsamında uygulanarak Antalya'da bir müzenin fuaye alanının cephesine güneş kırıcı sistemi tasarlanmasında kullanılmıştır. Bu kapsamda geliştirilen alternatifler daha sonra test edilerek elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Sonuç olarak hesaplamalı tasarım yöntemleri kullanılarak çalışmanın amacına uygun birçok formda, özgün güneş kırıcı yerleşim alternatifleri üretilebilmiştir. Üretilen alternatifler performans gerekliliklerini karşılamıştır. Çalışma kapsamında önerilen malzemenin uygulama sürecinde kullanılması ile sürdürülebilir bir cephe sistemi olarak yaygın kullanımının önünün açılabileceği öngörülmektedir.
Özet (Çeviri)
With the rapidly increasing global population and the corresponding rise in housing demand, the need for construction materials has significantly grown. However, this trend has also exacerbated the issue of construction waste, leading to environmental and economic concerns. In response, research efforts have intensified on recycling waste materials, developing production methods that minimize waste generation, and exploring the reuse of materials to address this issue effectively. Within this context, this study employs computational design approaches to comprehensively evaluate waste management challenges and enhance the effectiveness of sustainable design practices. The integration of advanced digital tools in architectural design enables the exploration of innovative, adaptive, and environmentally conscious solutions that align with contemporary sustainability objectives. Construction waste accounts for approximately 30% to 40% of total solid waste, making its efficient management a critical concern in the construction industry. The ability to recycle and reuse these materials is essential for mitigating environmental degradation and promoting sustainable resource use. Specifically, the processing of construction debris into recycled aggregates and their combination with various natural binding materials enable the creation of mixtures with diverse properties, offering alternatives to conventional materials. Existing studies have examined these mixtures in terms of their strength, lightweight properties, and environmental impact, providing valuable insights into their potential applications. In line with these studies, this thesis proposes the utilization of such materials in a sun-shading façade system by leveraging algorithmic and performance-based design methodologies. One of the primary objectives of this research is to develop a sustainable alternative to traditional construction materials by reusing waste materials and to encourage the widespread application of these materials in architectural façades. By integrating performance-based design strategies into the design process, the study aims to generate adaptable, innovative, and functional design alternatives suitable for varying environmental conditions, thereby promoting the broader adoption of recycled construction materials. The study begins with an exploration of computational design and performance-based design methodologies, emphasizing their advantages in architectural applications. Computational design methods have been integrated into the workflow due to their ability to facilitate the exploration of numerous design alternatives, streamline the design and implementation process, and accommodate variable design parameters and functional requirements. The flexibility of computational tools allows designers to efficiently test multiple configurations, optimizing material use and structural performance while maintaining aesthetic considerations. In this study, the Cellular Automata (CA) method is employed as a generative system in which individual elements interact with neighboring components according to predefined rules, guiding the design process towards effective and optimized solutions. Furthermore, this study examines various waste materials that have been recycled and repurposed globally, identifying their potential applications in construction. A key focus is placed on the recycling of construction debris, one of the most significant solid waste challenges. Based on findings from existing studies, mixtures with the lowest possible density while maintaining sufficient structural strength were selected for further experimentation. The material selection process involved an in-depth assessment of properties such as compressive strength, thermal resistance, and overall environmental impact. These selected materials were then utilized in the fabrication of sun-shading blocks, demonstrating their viability in real-world applications. The production process entailed rigorous testing to evaluate the mechanical properties, thermal performance, and life-cycle sustainability of the developed material compositions. The design, simulation, and fabrication phases of the proposed system are presented in this study. The design process incorporates specific parameters and rule-based algorithms to assess the performance characteristics of generated alternatives. The implementation of Cellular Automata-based design rules was carried out within an algorithmic modeling environment using a scripted approach. Various sun-shading configurations were generated by applying different rule sets with adjustable parameters. The resulting configurations were subjected to solar exposure analysis using simulation tools to assess their compliance with predefined performance criteria. Alternatives that met the required performance thresholds were further refined based on additional design criteria, leading to the selection of the final configuration for implementation. Additional tests, including structural load analysis and thermal efficiency assessments, were conducted to ensure the viability of the selected configurations in real-world applications. The proposed methodology was applied in a case study, where a sun-shading façade system was designed for the foyer of a museum located in Antalya. The generated design alternatives were evaluated through performance tests, and the results were analyzed to determine their effectiveness in reducing solar exposure while maintaining aesthetic and structural feasibility. The findings demonstrated that the proposed computational approach allows for an optimized design process that meets both functional and environmental requirements. By testing multiple configurations under varying solar conditions, an informed selection process was conducted, ensuring that the final design optimally balances shading performance, material efficiency, and architectural coherence. A key contribution of this research is its demonstration of how computational design methods can facilitate sustainable material use in architectural applications. The integration of recycled construction materials into computational design workflows presents a promising avenue for future research and practice. This study highlights that by leveraging digital tools, designers can efficiently generate and evaluate diverse design alternatives, ultimately leading to more sustainable and performance-driven solutions. The application of Cellular Automata in sun-shading system design illustrates the potential of rule-based algorithms in optimizing architectural components, reinforcing the feasibility of incorporating recycled materials into innovative building solutions. In conclusion, this study demonstrates that computational design methods can generate numerous distinct sun-shading configurations that align with the project's sustainability objectives. The produced alternatives successfully meet performance requirements, reinforcing the feasibility of implementing the proposed material in real-world applications. The integration of recycled construction materials into architectural design through computational methodologies can significantly contribute to sustainable façade solutions. The broader application of such methodologies could pave the way for innovative approaches in sustainable architecture, offering efficient design solutions that align with circular economy principles. It is anticipated that the application of this research in practice will facilitate the widespread adoption of sustainable construction techniques and materials, promoting a more resource-efficient and environmentally conscious approach to architectural design. Future research may focus on optimizing material compositions further, testing durability under diverse climatic conditions, and expanding the applications of computational design methods in other building components beyond sun-shading systems. Additionally, further exploration of digital fabrication methods and advanced material testing could enhance the feasibility and adoption of recycled materials in contemporary architectural practice.
Benzer Tezler
- Comparative life cycle assessment of concrete structures on architectural design models: Marble waste integrated vs. standard concrete
Beton yapıların mimari tasarım modelleri üzerinde mermer atığı entegreli ve standart beton için karşılaştırmalı yaşam döngüsü değerlendirmesi
SEYYARE ECE AKDAĞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYŞEGÜL AKÇAY KAVAKOĞLU
- Kinetik cephe sistemlerinin yapı verimliliği ve kullanıcı konforu üzerine etkisinin araştırılması
Investigation of the effect of kinetic facade systems on building effıciency and user comfort
SELDA ERSAYIN
- A real time experimental data-based method for assessing the impact of glazed curtain walls with trickle vents on indoor environmental quality
Doğal havalandırma kanallı giydirme cephelerin iç ortam konfor koşullarına etkisinin gerçek zamanlı deneysel veri ile değerlendirilmesi için bir yöntem
AHMET BİLER
Doktora
İngilizce
2024
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLTEN ASLIHAN ÜNLÜ
- Geleneksel Türk evi tipolojileri ile iklim ilişkisinin kullanıcı termal konforuna etkisi ve enerji etkin tasarım kriterleri açısından incelenmesi
The effect of traditional Turkish house typologies and climate relationship on user thermal comfort and examination in terms of energy efficient design
SEVİM KILIÇ
- Mimarlıkta biyomalzeme kullanımının sürdürülebilirlik üzerine değerlendirilmesi
Evaluation of the use of biomaterials in architecture on sustainability
BUSE DEVRİM
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
MimarlıkBursa Uludağ ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. RENGİN BEÇEREN ÖZTÜRK