Computational design of space-adaptive structures for post-disaster sheltering
Afet sonrası barınma için uzam-uyarlanabilir yapıların hesaplamalı tasarımı
- Tez No: 961872
- Danışmanlar: PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
- 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: Mimarlık Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 125
Özet
Yerküre, sürekli bir devinim içerisindedir. Yeryüzü ve yeraltı, devrim? ve evrim döngüleriyle dönüşümler geçirmektedir. Evrenin kendisi en az enerji durumuna ulaşma istenciyle, içsel bir eğilimle yönlenen kendi kendini örgütleyen mekanizmalar tarafından şekillenir. Teknolojideki gelişmeler sayesinde bu sistemlerin doğanın en alt ölçeğinden, atom altı parçacıklar, en üst ölçeğine, gezegenler, kadar her ölçeğinde olduğu gözlemlenmiştir. Bu sistemlerdeki öğeler, ölçekler arası devingen bağlarla bağlıdır ve kendiliğinden beliren nitelikler sergiler. Doğal sistemler, sürekli bir denge durumunda olup değişimlere direnç göstererek ya da onlara uyum sağlayarak tepki veren doğuştan uyarlanabilir yapılardır. Bu ilkeler yalnızca doğada değil, kültürel yapılarda da görülebilir. Ancak, uygarlık doğanın eylemsizliği karşısında çoğu zaman karşıt bir konumda değerlendirilmiştir. Doğa dengeli ve sürekliyken, uygarlık ilerlemeci ama durağandır. Günümüzde, iklim değişikliğinin daha geniş ölçekli eğilimleriyle şiddetlenen global ölçekteki afetler, durağan yapı kültürünün zayıflıklarını, özellikle de çevresel değişimlere ve dirençlere adapte olamama durumunu ortaya çıkarmıştır. Yapı inşasının çevresel etkisi ile malzeme ve enerji kaynaklarının azalmadı birlikte düşünüldüğünde, bu değişimler akıllı ve kaynakların kullanımı açısından verimli tasarım çözümlerinin aciliyetini vurgulamaktadır. Buna paralel olarak, kültürel dönüşümler de çağdaş mimarlığın esneklik ve yeniden kullanılabilirliğe öncelik vermesine yol açmaktadır. Dolayısıyla, değişen zamanlar değişime yanıt verebilen değişken bir mimarlık gerektirmektedir. Doğa olayları doğanın kendi dönüşümü içerisinde olağandır. Ancak, içinde bulunduğumuz yüzyıl, doğadaki değişim ve dönüşümlerin, mimarlığın doğaya uyumsuzluğuyla da tetiklenen, yıkıcı ve bozucu boyutlara eriştiği bir dönemdir. İklim değişikliğiyle birlikte artan aşırı hava olayları, sıcaklık değişiklikleri yapılı çevrenin bu değişken koşullara karşı uyumlu biçimde tasarlanmasını zorunlu kılmaktadır. Yaşanan yıkıcı depremler, yapı stokunun, yapma biçimlerimizin ve kentleşme anlayışının yetersizliklerini ortaya koymuştur. Benzer biçimde, göç ve salgınlar da yaşam alanlarının birden çok işleve uyum sağlayacak biçimde dönüşebilmesi gereğini açıkça gözler önüne sermiştir. Enerji ve kaynak kıtlığı gibi çok yönlü küresel sorunlar, yapım tekniği ve malzeme kullanımında da yeniliklere ve yaratıcı çözümleri öne çıkarmaktadır. Mimarlık, bu dönüşümde yeni bir değerler dizisi arayışı içindedir. Uyarlanabilir yapılar, artan ilgiye ve gerekliliğe karşın mimarlık pratiğinde henüz net biçimde tanımlanmamış ya da standartlaşmamıştır. Bu çalışmanın kapsamında, uzam-uyarlanabilir yapılar; bileşenlerinin yeniden birleştirilmesi ve yeniden biçimlendirilmesi yoluyla değiştirilmiş niteliklere sahip uzamsal biçimlenişler üretebilen uyarlanabilir sistemler olarak tanımlanır. Bu yönleriyle diğer uyarlanabilir yapı tiplerinden farklılaşır ve özgün bir çalışma alanını temsil ederler. Bu sistemler, yapısal mühendislik ile hesaplamalı tasarımın yanı sıra kinematik ve robotikten türeyen bilgiyle desteklenen disiplinler arası bir iş birliği gerektirir. Bu yöntemsel dönüşüm, tasarımın edimsel, devingen ve etkileşimli yönlerinin bu yapılarda giderek daha belirgin hale gelmesiyle, tasarımın ve tektoniğin yeniden ele alınmasını da gerekli kılar. Bu bağlamda, hesaplamalı tasarım yöntemleri ve sayısal ortamlar, karmaşık yapısal davranışların ve malzeme davranışlarının anlaşılması ve uyarlanabilir yapıların tasarlanabilmesi açısından önemli bir eşiği temsil eder. Hesaplamalı tasarım uzam-uyarlanabilir yapıların karmaşık davranışlarını anlamada önemli bir kilometre taşını temsil eder ve bu yapıları tüm tasarım olasılıklarını içeren eşzamanlı bir perspektifle tasarlamamızı sağlar. Tasarım olasılıkları sistemin dönüşümünden dolayı gittikçe katlanarak artar. Bundan dolayı, araştırma; yeniden birleştirme, yeniden biçimlendirme ve tepki gibi bileşen-sistem ilişkileri aracılığıyla ayırt edici tasarım özelliklerini analiz etmekte ve tanımlamaktadır. Uzam-uyarlanabilirlik, parçadan bütüne doğru birkaç temel özgün özellikten kaynaklanır. Bu sistemler, birden fazla kez takılıp sökülebilen, yeniden ayarlanabilen bileşenlerden oluşur. Bağlantı elemanları, çeşitli açılarda yapılandırmaya olanak verecek şekilde özel olarak tasarlanmıştır. Bileşenlerin bazıları ya da hepsi değiştirilebilir, yenilebilir ve tamir edilebilir. Tasarım başka konumlara taşınabilir ve farklı biçimlerde yine aynı bileşenlerle yapılabilir. Bu tasarım anlayışında, tasarım parçadan başlasa da bütün göz önünde bulundurularak yapılır. Tasarımın kendi üzerine kıvrılan tasarım çizgisinin ya da çizgilerin ötesinde, bu tasarım düşüncesinde eş zamanlı bir düşünmeyi gerektirir. Bu tasarım düşüncesi hesaplamalı, çok yönlü ve tasarım öğelerinin birbirine bağımlı olduğu bir dizge izler. Tasarım aracı ve tasarım ortamı da bu tasarım ilkelerine etkin bir şekilde yanıt verebilmelidir. Yeniden biçimlendirilebilen mekanizmalar yoluyla, değişen ihtiyaçlara yanıt verilmesi güçlendirilerek, tamamen söküm yapılmadan yeniden düzenlemeler yapılabilir. Böylece, uzam-uyarlanabilir yapılar içsel ve dışsal uyaranlara bir sistem olarak bileşenlerinin yeniden birleştirilmesi ve yeniden biçimlendirilmesi yoluyla yanıt verir. Tasarımın bileşenleri arasındaki ilişkiler, tasarımın bütününü değiştirme yetisi verir. Bu şekilde, yapının tamamı ya da hiçbir bölümü sökülmeden yalnızca belirli mekanik dönüşümlerle değişen ihtiyaçlara daha etkin yanıt verilebilir. Bileşenlerin ve uyarlanabilir birleşim elemanlarının özgün tasarımı, tasarım ortamındaki geleceğe dönük biçim türevlerinin temsiliyle yapılabilir. İleri görüşlü ve özgür bir tasarım anlayışıyla, tasarım tek bir ana ya da tek bir biçime bağlı kalmadan bileşenlerin konumlarının ya da bileşenlerin biçimlerin farklılaşmasıyla üretken tasarımlar yapılabilir. Birleşim ölçeğinde ise bu sınırların belirlenmesi ya da tasarımcı tarafından hesaplanmasıyla bu farklı biçimlenişler olanaklı kılınmalıdır. Tasarım, tasarımcının tasarladığı değişmez nesne değil, kullanım gereksinimleri, işlevsel değişiklikleri, çevresel etmenler ve etkilerle yeniden biçimlenebilmelidir, esnek bir olanaklar dizgesidir. Bu olanaklılık, malzeme, bileşen ve sistem ölçeklerinde bütünsel bir tepkiselliğin ürünüdür. Malzeme odağında, malzemenin kendi iç yapısı, gömülü biçimsel davranışlar ve dış koşullara göre biçim değiştirme özelliği tasarımcının malzemeyi bu özelliklere göre kullanmasıyla ve konumlandırmasıyla yapısal bir davranışa dönüştürülebilir. Burada bileşenlerin bütün içerisindeki kurgusu ve bütünün davranışı önem taşımaktadır. Zamana bağlı benzetim ve malzeme tabanlı hesaplamalı yöntemleriyle bu fiziksel davranışlar ve şekil değiştirmeler öngörülebilir, hesaplanabilir. Çalışma, araştırma yöntemi olarak, bu üç tasarım özelliğinin kural-temelli ve vakaya-özgü arkitektoniğini incelemek amacıyla, bu tez kapsamında tasarlanıp analiz edilen üç vaka çalışması üzerinden, tasarım-yoluyla-araştırma yaklaşımını benimsemektedir. Her bir vaka çalışması uzam-uyarlanabilir yapıların tanımlayıcı niteliklerini öne çıkaran hesaplamalı tasarlanmış yapılar içermektedir. Bu araştırma, uzam-uyarlanabilir yapıların özgün özelliklerini ortaya koyan malzeme tabanlı, edimsel ve hesaplamalı tasarım yöntemleriyle tasarlanmıştır. Böylece, bu tasarımlar, uzam-uyarlanabilir yapılar bağlamında kuramsal çalışmalar değil, teknik ve mimari çözümlerle zenginleştirilmiş, çok yönlü örneklemler sunmaktadır. Kural-temelli analiz, iki boyutlu kağıt düzleminde grafikler üzerinde sunulan kurallar aracılığıyla, vaka çalışmalarının temel geometrisine şekil hesaplama yöntemiyle odaklanır. Böylece, bileşenlerin konumlandırılması ve eşleştirilmesi, nesnelere veya geometrilere değil, farklı konumlandırılmalar ve farklı eşleştirmelerle farklı döngüler içinde yinelenen geometrik örnekler üzerine kurulu bir anlayış oluşturmak amacıyla tanımlanmaktadır. Bileşenlerin konumlandırılması ve eşleştirilmesi, bileşenler birlikte hareket ettiğinde ve birbirlerine karşı kısıtlandığında karmaşık bileşimler yaratır. Bileşimler bu kurallar aracılığıyla yeniden birleştirilebilirken, biçimlendirme ve yeniden biçimlendirme her bir bileşim ve yeniden birleştirme için tanımlanan kuralların belirlediği hareket aralığında gerçekleşir. Vakaya-özgü analiz, seçimler-malzemeler, boyutlar, detaylandırmalar ve faktörler-çevresel, yapısal, fonksiyonel- tanımlanan ve bu parametreler aracılığıyla üretilen uzam-uyarlanabilir yapıların örneklerini araştırır. Vakalar hesaplamalı tasarlanmıştır ve tamamıyla tasarımdan üretime ve üretimden uyarlanabilirliğe doğru bir iş akışı sergilemektedir. İlk tasarım, yeniden birleştirme özelliğine odaklanmaktadır. Bu tasarım, sökülebilir ve yeniden birleştirilebilir bileşenlerden oluşan bir yapısal sistem üretme ve oluşturma olasılıklarını araştırmaktadır. İlk tasarım, sökülüp-takılabilir birimlerden oluşan bir yapısal biçim üretme ve türetme olanakları sunan bir yapı kurgusudur. Yapısal birimleri, en basit geometrik biçim olan üçgenlerden oluşur. Bu geometrik biçimler aynı zamanda bir serbest biçimli bir topolojinin de geometrik çözümlenmesindeki yakınsamayı sağlayabilecek niteliktedir. Üç boyutlu bir düzlemde özgün birleşim elemanlarıyla bir araya gelebilen bu birimler, biçim etkin yapısal sistemler oluşturmaktadırlar. Yapısal birimler, bu geometrik birimlerdeki gerilim, kuvvet akışları ve malzeme iyileştirmesinden türetilmiştir. İkinci tasarım, yeniden biçimlendirme özelliğine odaklanmaktadır. Bu tasarımda yeniden biçimlendirme, bileşenler arasındaki basit mekanizmalardan ortaya çıkmaktadır. Vakaya-özgü kararlar, yapının uzamsal ilişkisine, uzam içindeki konumuna ve farklı mekânsal koşullar arasındaki yerine dayalı olarak alınmıştır. İkinci tasarım, uzam, yapının uzamdaki ve uzamlar arasındaki farklı konumlanışları ve uzamla olan ilişkiden ortaya çıkmaktadır. Burada, düzlemler bir uzam tanımlama yetisiyle, kendi yükünü yere aktarabilecek, düşey ve yatay dengesini sağlayacak şekilde tasarlamıştır. Birleşim noktaları yapısal düzlemlerin birbirine görece şekil değiştirmesini ve bütünsel biçim değişimleriyle uzama uyum sağlamasını sağlar. Üçüncü tasarım, tepkisellik yönüne ve afet-sonrası barınmaya odaklanmaktadır. Afet-sonrası barınma, uyarlanabilirliğin özellikle önemli ve gerekli olduğu bir alandır. Bir afetin ardından, çok kısa bir zaman diliminde barınakların toplu olarak taşınması ve konuşlandırılması gerekmektedir. Üçüncü tasarım, taşınabilir ve aşamalı olarak eklemlenebilir bir anlayışa dayanır. Tasarım deprem bölgeleri için önceden hazırlanmıştır. Yapı, katlanarak paket haline getirilmesiyle kolay taşınma, ızgara kabuğa katlanmasıyla ise hızlı kuruluma olanak tanıyan katlanabilir bir mekanizma barındırmaktadır. Yapı, kolay taşınabilir ve hızlıca uzam oluşturabilecek katlanabilir bir mekanizma barındırmaktadır. Izgara kabuk yapı mantığında çalışan yapı, çizgisel yapısal birimlerin düğüm noktalarının dönüş serbestliği ve geometrinin rijitliği dolayısıyla yüklerin eksenel olarak aktarımına dayanır. Yapı, bileşenlerini en uygun duruma yeniden biçimlendirerek çevreye yanıt verebilecek şekilde tasarlanmıştır. Tasarım, hafif malzemeden oluşan dış cephe kaplamasının eklenmesiyle kademeli olarak geçici dönem barınağına dönüşür. Bu kademeli eklemlenme potansiyeli, düğüm noktalarının dikey eksendeki bağlantılarıyla sağlanmaktadır. Yapı, böylece uzun süreli barınma için kademeli olarak bir geçiş dönemi barınağına dönüştürülebilmektedir. Sonuç olarak, uzam-uyarlanabilir yapılar, yalnızca malzeme, yapı ve yapım kaynaklı gereksinimlere yanıt veren sistemler olarak değil, aynı zamanda çağdaş mimarlık için farklı bir düşünsel çerçeve olarak ele alınmaktadır. Bu sistemler, barınma ihtiyacının acil olduğu durumlarda etkili çözümler sunmakta ve değişen çevresel koşullara, kullanıcı ihtiyaçlarına ve zamansal dinamiklere esnek biçimde uyum sağlayabilmektedir. Yapıların hem çevresel koşullara hem de işlevsel gereksinimlerine göre yeniden birleştirilebilen, yeniden biçimlendirilebilen ve tepki verebilen şekilde tasarlanması, yeni bir dizi mimari değer ortaya koymaktadır. Bu değerler sisteminde, yapısal öğeler, malzeme davranışı, devinim ve performans önemli tasarım unsurları haline gelmektedir. Dolayısıyla, uzam-uyarlanabilir yapılar yalnızca malzeme, yapısal ve inşaat gerekliliklerine yanıt veren sistemler olmakla kalmayıp, aynı zamanda yeni bir kavramsal tasarım çerçevesini ve bir tektonik kültürü temsil etmektedir. Mekân ile yapı arasındaki ilişki, bu yeni temel unsurlar ile daha uyarlanabilir ve tepkisel biçimde yeniden tanımlanmaktadır. Mimarlığın hep merkezinde olan uzamsal tasarım da bu yeni temel değerlerle daha esnek ve duyarlı bir şekilde ele alınmaktadır. Araştırma, mimari düşüncenin, tasarımın ve uygulamanın geleceğini şekillendirme yetisine sahip uyarlanabilir, hesaplamalı ve edimsel tasarım yöntemleri sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Earth is in a continuous state of revolution and evolution. These transformations are directed by self-organized mechanisms driven by the pursuit of a minimum energy state. With advancements in technology, it has become apparent that such systems can be observed at every scale of nature. Elements are interconnected through dynamic interscalar relationships, exhibiting emergent qualities. These systems exist in equilibrium and are inherently adaptive, constantly responding to changes by either resisting or accommodating them. Moreover, these principles are also evident in cultural systems. However, civilization has often been considered an antithesis to nature's inertia: whereas nature is balanced and in motion, humanity is progressive yet stagnant. Recent global catastrophes, intensified by broader patterns of climate disruption, have revealed the vulnerabilities of a static building culture, mostly its inability to adapt to environmental changes and forces. Combined with the environmental impact of construction and the depletion of material and energy resources, these shifts underscore the urgency of developing intelligent, resource-efficient design solutions. In parallel, cultural transformations are also prompting contemporary architecture to prioritize flexibility and reusability. Therefore, changing times require a changing architecture that can respond to changes. In the field of adaptive architecture, despite increasing interest and necessity, structural systems adapting to changes have not been clearly defined or widely established. Space-adaptive structures, within the scope of this research, are defined as adaptive systems capable of generating spatial configurations with altered qualities through reassembly and reconfiguration of their components. These systems require interdisciplinary collaboration between research fields such as structural engineering and computational design, supported by knowledge from kinematics and robotics. This shift also necessitates a rethinking of design and tectonics, as performative, dynamic, and interactive aspects become increasingly important in these structures. Computational design represents a significant milestone in understanding the complex behaviors of space-adaptive structures and allows us to design them, with a synchronous perspective that involves all the design possibilities. Design possibilities multiply due to the transformation capabilities of these systems. Through the component-system relations, distinct design characteristics of space-adaptive structures are analyzed and identified as reassembly, reconfiguration and response. Components of a space-adaptive structure are reassemblable parts that are designed for multiple assemblies and disassemblies. Connections between components are uniquely engineered to make multiple configurations possible at a variety of angles. Through reconfigurable mechanisms, structural arrangements can be modified without full disassembly, enhancing the response to changing demands. Thus, space-adaptive structures respond to internal and external stimuli as a system through reassembly and reconfiguration of their components. Methodology follows a research-through-design approach to investigate rule-based and case-specific architectonics of these three design characteristic. Three case-studies corresponding to three design characteristics are designed and analyzed in the scope of this thesis. The rule-based analysis focuses on the underlying geometry of the case-studies through shape computing and rules presented on graphs in 2D paper space. As such, positioning and pairings of the components are identified to create an understanding not based on objects or geometries, but instances of geometries repeated in different loops in different positioning with different pairings. Positioning and pairing of components create complex assemblies where components move together and are constrained against each other. Assemblies can be reassembled through these rules, whereas configuration and reconfiguration occur in the range of motion defined by the rules for each assembly and reassembly. The case-specific analysis investigates the instances of space-adaptive structures, defined by choices (materials, dimensions, detailing) and factors (environmental, structural, functional) and generated through these parameters. Cases are computationally designed and display a complete design-to-fabrication-to-adaptation workflow. The first design focuses on the reassembly aspect. It explores the possibilities of producing and generating a structural system composed of disassemblable and reassemblable components. These components are based on the most basic geometric form, the triangle, which also holds the potential to approximate free-form topologies through geometric discretization. Assembled through uniquely designed joints in three-dimensional space, these units form form-active structural systems. The design of these systems derives from the stress distributions, force flows, and material optimization embedded within these geometric elements. The second design focuses on the reconfiguration aspect. Reconfiguration in this project emerges from the simple mechanisms between components. Case-specific decisions were made based on the spatial relationship of the structure, its positioning within space and between different spatial conditions. In this case, planar elements are employed to define a space, while also transferring loads to the ground and maintaining both vertical and horizontal stability. The connection points between these structural components allow for rotations, relative to each other, enabling the global form to dynamically adapt to spatial transformations. The third design focuses on the response aspect and post-disaster sheltering. Post-disaster sheltering is an area where adaptability is especially important and required. In the aftermath of a disaster, massive transportation and deployment of shelters are required in the immediate timeframe. The structure employs a foldable mechanism that allows for easy transportation through folding into a package, rapid deployment through folding into a gridshell. Gridshell is a form-active structural arrangement where the structural behavior is based on axial transmission of loads made possible by the rotational freedom of its nodal connections and the rigidity of its geometric configuration. The is structure designed to able to respond to the environment by reconfiguring its components to an optimal stage. Structure gradually transforms into an interim stage through the reassembly of lightweight material cladding. This potential for incremental reassembly is achieved through vertical-axis connections at the nodes, allowing the structure to be incrementally upgraded into an intermediate stage for long-term sheltering. In conclusion, reassembly, reconfiguration and response are interconnected design aspects that offer effective solutions in the contexts where a structure is expected to be flexibly adapted to evolving environmental conditions, user needs, and temporal dynamics i.e., post-disaster sheltering. Designing structures that can be reassembled, reconfigured, and respond according to both environmental conditions and functional demands introduces a new set of architectural values. Within this value system, structural elements, material behavior, movement, and performance become important design elements. Therefore, space-adaptive structures are not only systems that respond to material, structural, and constructional requirements but also represent a new conceptual design framework and a tectonic culture. The relationship between the space and structure is redefined with these new core elements in a more adaptable and responsive manner. This research contributes to the understanding and development of adaptive, computational, and performative design methods capable of shaping the future of architectural thinking, design and practice.
Benzer Tezler
- Parametric façade optimization for natural ventilation and energy efficiency in high-rise buildings
Yüksek katlı binalarda doğal havalandırma ve enerji verimliliği için parametrik cephe optimizasyonu
SANAM AEINFAR
Doktora
İngilizce
2025
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NURİ SERTESER
- Sürdürülebilir toplu konut yerleşmesi tasarımı için Pareto genetik algoritmaya dayalı bir model önerisi: SSPM
A model for sustainable site layout design with pareto genetic algorithm: SSPM
YAZGI AKSOY
- Yapı sistemlerinin doğal frekans sınırlayıcıları altında adaptif jaya algoritmasıyla optimum tasarımı
Optimum design of structural systems usi̇ng adaptive jaya algorithm under natural frequency constrai̇nts
GÜLAY YALÇİN BAYAR
Doktora
Türkçe
2021
İnşaat MühendisliğiDicle Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADIK ÖZGÜR DEĞERTEKİN
- Zincir zırh örüntülerinin mimaride kılıf strüktürü olarak kullanımına yönelik hesaplamalı bir yöntem geliştirme
Development of a computational method for using chainmail patterns as envelope structures in architecture
GÖKSU EDA TAŞLIBEYAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MERYEM BİRGÜL ÇOLAKOĞLU
- Çok-doğruluklu temsili modelleme ile aeroelastik tasarım optimizasyonu uygulaması
Implementation of an aeroelastic design optimization with multi-fidelity surrogate modelling
ENES ÇAKMAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELİKE NİKBAY