Architecture and circular economy: Developing a building-scale circularity indicator
Mimarlık ve döngüsel ekonomi: Bina ölçeğinde döngüsellik indikatörü geliştirilmesi
- Tez No: 980166
- Danışmanlar: PROF. DR. MERYEM BİRGÜL ÇOLAKOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- 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: Belirtilmemiş.
Özet
Sanayi Devrimi'nden itibaren kontrolsüz bir şekilde artan nüfus, çarpık kentleşme, doğa tahribatı ve fosil yakıta dayalı enerji tüketimi günümüzde Dünya genelinde iklim değişikliğine sebep olmuştur. İklim değişikliğinin etkileri Dünya genelinde yangınlar, taşkınlar, su ve tarım krizleri olarak ortaya çıkmaktadır. Bunun yanında 2050 yılına kadar yakıt kaynaklarının çoğunun tükeneceği ancak enerji ihtiyacının ise iki katına çıkacağı ön görülmektedir. Yapılı çevrenin de dahil olduğu Mimarlık, Mühendislik, İnşaat ve İşletme (AECO) endüstrisi Dünya genelindeki karbondioksit salınımının %40'ına ve toplam atığın üçte birine sebep olduğundan sürdürülebilirlik yaklaşımının ve döngüsel ekonomi modelinin uygulanması gereken disiplinlerin başında gelir. Bu bağlamda AECO endüstrisi üretim süreçlerini ve tekniklerini köklü biçimde yeniden tasarlamak zorundadır. Son otuz yılda sürdürülebilirlik tartışmaları, iklim değişikliğinin çevresel ve sosyo-ekonomik etkilerinin ayrıştırılmadan bütüncül değerlendirilmesi gerekliliği giderek daha güçlü bir şekilde vurgulamaktadır. Uluslararası politikalar, uzun vadeli ekolojik dengeyi, nesiller arası adaleti ve kaynakların biliçli kullanımını ön plana çıkarmaktadır. Ancak,“sürdürülebilirlik”kavramının politika ve uygulamalarda yaygınlık kazanmasına rağmen, pek çok sektörde üretim modeli halen daha lineer“al–üret–kullan–at”modellerine dayalıdır. Bu lineer davranış ve üretim modellerinin sürmesi, sektörleri ve toplumları atık ve yeniden kazanım döngüleri konusunda sınırlandırmaktadır. Bu bağlamda, yapılı çevre özellikle kırılgan bir sektörel alan olarak öne çıkmaktadır. Mevcut uygulamalar büyük ölçüde birincil hammaddelere bağımlı olup yüksek miktarda inşaat atığı üretmektedir. Ayrıca yeniden kullanım olanağına imkan verecek esnekllik içermeyen sistemler barındırmaktadır. Bu sistemsel verimsizliklerin aşılması yalnızca teknolojik yeniliklerle değil, aynı zamanda şehir ölçeğinden başlayarak yapı, yapı elemanı, malzeme ve onların yaşam döngüsü senaryoları arasındaki ilişkiyi yeniden tanımlayan tasarım paradigmalarıyla mümkündür. Döngüsel ekonomi kavramı, lineer üretim ve tüketim modellerine karşı yenileyici bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. Döngüsellik; atığı tasarım sürecinde ortadan kaldırmayı, malzemelerin değerini üretken kullanımda olabildiğince uzun süre korumayı ve doğal sistemlerin döngüsünü yeniden üretmeyi hedefler. Yapılı çevreye döngüsel ekomoni modelinin uygulanması; modüler tasarımı, sökülebilirliği, bileşenlerin yeniden kullanımını, onarılabilirliği, yenilenebilir enerji ve dijital teknolojilerin entegrasyonunu kapsamaktadır. Binaların statik son ürünler olarak değil, sürekli dönüşen malzeme bankaları olarak ele alınması, yapılı çevrenin köklü bir biçimde dönüşümüne zemin hazırlamaktadır. Yapılı çevre alanındaki döngüsellik araştırmaları ve uygulamaları potansiyline ve son yıllarda artmış olmasına rağmen hala sınırlı ölçektedir. Öncelikli olarak yapılı çevrenin döngüsel dönüşümü ancak mevcut durumun tespiti ile başlayabilir. Döngüsellik stratejilerini somut tasarım yaklaşımlarına ve uygulamalara dönüşebilmesi için, yapılı çevrenin binalardan başlayarak kapsamın karmaşıklığını yansıtabilen çok bileşenli değerlendirme yöntemlerine ihtiyaç vardır. Mevcut değerlendirme yöntemleri ve döngüsellik ölçüm araçlarının çoğu, , yapı döngüselliğini belirleyen sistemsel bütünlük yerine yalnızca tekil boyutlara odaklanmaktadır. Örneğin sadece malzeme akışları, geri dönüşüm, yaşam döngüsü maliyetlendirmesi, atık yönetimi veya bileşen yeniden kullanımı. Ancak bunların birbirinden bağımsız ve kopuk olmaları, standartlaştırılmış döngüsellik indikatörlerinin döngüsellik alanındaki uygulamayı güçleştirmekte ve uygulayıcılar için belirsizlik yaratmaktadır. Dolayısıyla, mevcut yaklaşımlar, döngüsel ekonomi ilkelerini bütüncül ve bina ölçeğinde işler kılabilecek bir metodolojiden yoksundur. Bu tez, söz konusu boşluğu gidermek amacıyla Bina Döngüsellik İndikatör (BuCI)'ü geliştirmektedir. BuCI, bina ölçeğinde döngüsel stratejileri değerlendirmek ve geliştirmek için tasarlanmış bütüncül bir çerçevedir.“Shearing Layers”olarak tanımlanan altı katman modelini benimsemiştir. Bu katman modeli Proje Alanı (Site), Strüktür (Structure), Kabuk (Skin), Donatılar (Services), Mekânsal Planlama (Space Plan) ve Eşyalar (Stuff) dan oluşturmaktadır. Tez kapsamında geliştirilen BuCI, binaları farklı yaşam sürelerine, teknik özelliklere ve yaşam sonu senaryolarına sahip katmanlara ayırır. Her katman; kullanım ömrü, malzeme etkinliği, uyarlanabilirlik, sökülebilirlik, yeniden kullanım ve onarım potansiyeli gibi performans göstergeleri (KPI'lar) üzerinden değerlendirilir. Yaşam döngüsü perspektifleri ve yaşam sonu (End-of-Life, EoL) parametrelerini bütünleştiren BuCI, tasarım kararları ile kaynak-ürün-değer kavramlarına dayalı kapsamlı bir ölçüm yöntemi ortaya koymaktadır. Mevcut yaklaşımlar çoğunlukla malzeme akışlarına veya geri dönüşüme yoğunlaşırken, BuCI; EoL, onarım, modülerlik ve yeniden kullanım potansiyeli gibi döngüsel tasarım mantıklarını önceliklendirir. Çeşitli döngüsellik ölçütlerini tek bir puanlama sisteminde bütünleştirerek yalnızca tasarıma gömülü döngüsel stratejileri ölçmekle kalmaz, aynı zamanda iyileştirme yönünde uygulanabilir öneriler de sunar. BuCI'nin yeniliği, katmanların, yaşam döngüsü kavramlarının ve performans göstergelerinin şeffaf ve uyarlanabilir bir araçta sistematik olarak bütünleştirilmesinde yatmaktadır. Tez araştırması süresince, karma yöntemli bir yaklaşım benimsemekte ve bu yöntem de problemin çok boyutlu yapısını ele almak için pragmatist araştırma paradigmasıyla uyum göstermektedir. Yöntemsel çerçeve, Ellen MacArthur Foundation'ın döngüsel tasarım sürecini (anlama-understanding, tanımlama-defining, üretme-making ve yayma-releasing) izlemektedir. İlk aşamada, bina ölçeğinde döngüsel ekonomi uygulamalarının mevcut durumunu ortaya koymak, kavramsal eksiklikleri ve yöntemsel yetersizlikleri belirlemek üzere sistematik bir literatür taraması gerçekleştirilmiştir. İkinci aşamada, literatür bulguları sentezlenmiş ve tez kapsamı ile araştırma hedefleri, bina ölçeğinde döngüsel ekonomi söylemiyle ilişkilendirilerek belirlenmiştir. Üçüncü aşamada, BuCI çerçevesi geliştirilmiş; döngüsel ilkeler ölçülebilir KPI'lara dönüştürülmüş ve katmanlar üzerinden yapılandırılmıştır. Ölçüm yönteminin geçerliliğini ve güvenilirliğini artırmak amacıyla, yapay zekâ tabanlı karar destek modelleri (Gini indeksi ağırlıklandırması ve bulanık Analitik Hiyerarşi Süreci – AHP) kullanılarak katmanların önem katsayıları hesaplanmıştır. Geliştirilen indikatör, BuCI farklı özelliklerine sahip üç projeye uygulanmıştır. Bu vaka çalışmaları ile indikatörün test edilmesi ve değerlendirilmesi için ampirik bir temel sağlamıştır. Farklı fonksiyon, malzeme ve tasarım özelliklerine sahip üç proje BuCI aracılığıyla değerlendirilmiş, projelerin güçlü ve zayıf yönlerine dair karşılaştırmalı sonuçlar üretilmiştir. Bulgular, BuCI'nin mevcut döngüsellik değerlerini ölçme, potansiyel gelişim katmanlarını belirleme ve tasarım kararlarının döngüsel sonuçlarını yansıtma kapasitesini ortaya koymuştur. Özellikle %40 eşiğinin üzerinde döngüsellik puanı elde eden örnekler döngüsellik açısından başarılı kabul edilmiş, bu seviyenin altında kalan örnek ise gelişmeye açık bulunmuştur. Sayısal olarak döngüsellik tesptinin ötesinde BuCI, belirli katmanlara özgü nitel öneriler üreterek kullanıcıların malzeme seçimlerini, modülerliği ya da onarım potansiyeli gibi mimari kararları yeniden değerlendirmesine yardımcı olmuştur. BuCI, HTML–JavaScript tabanlı bir yazılımı olarak geliştirilmiş ve Wix tabanlı bir kullanıcı arayüzüne entegre edilmiştir. Kullanıcılar, Wix arayüzünden BuCI'ye erişmektedirler. Bu arayüz, kullanıcıların bina verilerini girmesine, otomatik döngüsellik skorlarının hesaplanmasına ve özelleştirilmiş geri bildirimlerle indirilebilir raporlar oluşturmasına olanak tanımaktadır. Bu etkileşimli ortam, yalnızca mimar, mühendis ve politika yapıcıların uygulama kolaylığını artırmakla kalmamakta, aynı zamanda BuCI'nin bilgi transferini hızlandırarak döngüsel tasarım uygulamalarının yaygınlaşmasını da destekler. Bu web-tabanlı platform, BuCI'yi kavramsal bir modelden uygulamaya dönük somut bir araca dönüştürmektedir. Tezin bulguları, birkaç temel ve özgün katkıyı ortaya koymaktadır. Kavramsal açıdan, BuCI, kısme değerlendirme yaklaşımlarını bütüncül bir metodolojiye dönüştürerek bina ölçeğinde çevresinde döngüsel ekonomi literatürünü ilerletmektedir. Yöntemsel açıdan, nitel sentez, nicel skorlamalar ve yapay zekâ destekli karar modellerinin bir arada kullanımının karmaşık ölçüm-değerleme sorunlarını çözmede nasıl etkili olabileceğini göstermektedir. Ampirik açıdan, karşılaştırmalı vaka çalışmaları indikatörün geçerliliğini desteklemekte, mevcut döngüsel tasarım uygulamalarının güçlü ve zayıf yönlerini açığa çıkarmaktadır. Pratik açıdan ise dijital platform, indikatörün kullanılabilirliğini genişleterek uygulayıcılara bina ölçeğinde döngüselliği değerlendirmek ve geliştirmek için somut bir araç sunmaktadır. Bu katkılar, BuCI'yi hem akademik bir yenilik hem de profesyonel bir kaynak konumuna yerleştirmektedir. Katmanlara, yaşam ömrü, değer ve yaşam sonu senaryolarına odaklanması sayesinde, döngüselliği anlamak ve geliştirmek için bütüncül bir perspektif sunar. Kavramsal hedeflerden ölçülebilir uygulamalara geçişi destekler; mimari tasarım, sürdürülebilirlik hedefleri ve döngüsel yapılı çevre arasında ilişkiyi ve potansiyelleri somut olarak ortaya koyar. Tez, birbirini tamamlayan aşamalar halinde yapılandırılmıştır. İlk bölümler, araştırmayı küresel sürdürülebilirlik sorunları ve yapılı çevrede döngüsel ekonomi söylemini tartışır. Sonraki bölümler, mevcut indikatörleri analiz ederek BuCI'nin geliştirilmesine zemin hazırlayan kavramsal ve yöntemsel boşlukları ortaya koyar. Tezin ilerleyen bölümleri, indikatörün tasarımını, yapısını ve işleyişini; yapay zekâ tabanlı kat sayı ağırlıklandırma mekanizmaları ve KPI mantığını detaylandırır. Vaka çalışmaları, ampirik doğrulama sunarak karşılaştırmalı sonuçlar üretir. Son bölüm, tezin katkıları, sınırları ve geleceğe yönelik araştırma–uygulama önerilerinin senteziyle tamamlanır ve iklim değişikliğine yanıt olarak döngüselliğin ana akım tasarım süreçlerine entegre edilmesinin aciliyetini vurgular. Özetle, bu tez döngüsel yapılı çevreye geçişte kritik bir ihtiyacı karşılamaktadır. Bina ölçeğinde Döngüsellik İndikatörü (BuCI)'nün geliştirilmesi, test edilmesi ve değerlendirilmesi aracılığıyla, mimari ve inşaat uygulamalarını yenileyici gelecek perspektifine yönlendirebilecek bütüncül ve özgün bir metodoloji sunmaktadır. Bu çalışma, ölçümün yalnızca teknik bir işlem değil, döngüsel dönüşümün ön koşulu olduğunu ortaya koymaktadır: ölçülebilen bir konu yönetilebilir ve geliştirilebilir. Bu anlamda BuCI, hem bir durum tespit aracı hem de binaların nasıl tasarlandığını, inşa edildiğini ve yönetildiğini yeniden düşünmeye yönelik bir katalizör işlevi görmektedir. İklim değişikliği ve kaynak kıtlığının sistemsel dönüşümleri zorunlu kıldığı bir çağda, bu tür katkılar tercihten öte zorunluluktur.
Özet (Çeviri)
The accelerating climate crisis, driven by unsustainable resource extraction, represents one of the most pressing challenges of the 21st century. Within this broader context of global climate change, the Architectural Engineering Construction Operation (AECO) industy, including built environment, emerges as both a primary contributor and a critical site of intervention. AECO activities account for a significant share of energy demand, material consumption, and carbon emissions worldwide. In these regards, AECO industry must fundamentally redesign its processes and techniques by considering global climate change. Sustainability discourses over the last three decades have articulated a growing awareness of the need to decouple economic growth from environmental degradation. Global frameworks emphasize long-term ecological balance, intergenerational equity, and responsible use of resources. Yet, despite the mainstreaming of“sustainability”in policy and practice, the persistence of linear“take–make–dispose”models across many industires continues to lock societies into cycles of waste and disposal. In this respect, the built environment remains particularly vulnerable. Current models rely heavily on primary raw materials, generate substantial construction and demolition waste, and embed inflexible systems that hinder adaptability or reuse. Addressing these systemic inefficiencies requires not only technological innovation but also new design paradigms that fundamentally rethink the relationship between resources, buildings, and their lifecycle scenarios. The concept of the circular economy has gained prominence as a regenerative alternative to linear production and consumption models. Circularity seeks to design out waste, maintain materials' value in productive use for as long as possible, and regenerate natural systems. Applied to the built environment, this vision involves modular design, disassembly, reuse of components, repairability, and integration of renewable energy and digital intelligence. By viewing buildings not as static end-products but as evolving material banks, the circular economy offers opportunities to radically transform the built environment industry. However, despite its potential, circularity in practice often remains fragmented, unevenly adopted, and difficult to measure. Translating principles into concrete design and policy decisions requires robust assessment mechanisms that can capture the complexity of buildings across multiple scales and temporal horizons. Existing frameworks and toolkits provide partial insights into circular strategies—focusing, for example, on material flows, life cycle costing, or component reuse. While valuable, many of these approaches emphasize isolated aspects of performance without addressing the full systemic interdependencies that shape building circularity. Moreover, the proliferation of disconnected metrics and the absence of standardized benchmarks hinder comparability, limit implementation, and create uncertainty for practitioners. Current approaches fall providing an integrative, building-scale methodology that can operationalize circular economy principles in ways that are both comprehensive and applicable to real design and construction processes. This thesis responds to this gap through the development of the Building-scale Circularity Indicator (BuCI), a holistic framework designed to evaluate and advance circular strategies at the scale of buildings. Grounded in the six“shearing layers”model (Site, Structure, Skin, Services, Space Plan, and Stuff), BuCI decomposes buildings into interrelated layers that reflect varying lifespans, technical characteristics, and end-of-life scenarios. Each layer is assessed through a set of key performance indicators (KPIs) encompassing reusability and repairability through End-of-Life (EoL), material efficiency, adaptability, disassembly potential. By integrating lifecycle perspectives and End-of-Life considerations, BuCI provides a more nuanced understanding of circularity that bridges technical design decisions with long-term resource and environmental outcomes. Unlike existing approaches that primarily emphasize material flows or recycle, BuCI prioritizes circular design logics such as EoL, reversibility, modularity, and reuse potential. By combining diverse circularity criteria into a unified scoring system, BuCI not only measures the degree of circular strategies embedded in a design but also generates actionable insights that can guide improvements. Its novelty lies in this systematic integration of layers, lifecycle concepts, and performance indicators into a transparent, adaptable tool that can serve both academic research and professional practice. The research underpinning BuCI adopts a mixed-method approach, aligning with pragmatist research philosophy to address the complexity of the problem. The methodological design follows the Ellen MacArthur Foundation's circular design process: understanding, defining, making, and releasing. First, a systematic literature review was conducted to map the current state of circular economy practices in the built environment, identifying conceptual gaps and methodological shortcomings. Second, the scope and objectives of the thesis were established by synthesizing insights from the systematic literature review and by situating them within the broader discourse on circular economy in the built environment. Third, the BuCI framework was developed, operationalizing circular principles into measurable KPIs and structuring them across the shearing layers. To enhance robustness, artificial intelligence (AI)-driven decision support models—such as Gini index weighting and fuzzy Analytic Hierarchy Process (AHP)—were applied to calibrate the relative significance of indicators. Case studies provided an empirical ground for validation and application. Three building projects with varying design characteristics were assessed using BuCI, generating comparative insights into the strengths and weaknesses of circular strategies across contexts. The results demonstrated the capacity of BuCI to differentiate performance levels, highlight areas for improvement, and reflect the implications of design choices on long-term circular outcomes. Notably, case studies exceeding 40% circularity were categorized as demonstrating significant progress, while those below the threshold indicated substantial room for improvement. Beyond numerical scoring, the framework produced qualitative recommendations tailored to specific building layers, supporting practitioners in rethinking material choices, modularity, or repair potential. To further extend accessibility and impact, BuCI was embedded into a web-based digital platform through HTML–JavaScript application embedded within a Wix-based user interface (UI). The interface enables users to input building-related data, receive automated circularity scores, and generate downloadable reports with tailored feedback. This interactive environment not only facilitates application by architects, engineers, and policymakers but also demonstrates how the developed BuCI can accelerate knowledge transfer and mainstream circular design practices. By coupling academic rigor with user-centered design, the platform transforms BuCI from a conceptual model into a practical instrument for real-world decision-making. The findings of the thesis underscore several contributions. Conceptually, BuCI advances the discourse on circular economy in the built environment by bridging fragmented assessment approaches into a holistic methodology. Methodologically, it illustrates how mixed methods, combining qualitative synthesis, quantitative scoring, and AI-driven decision support models (AIDSM), can address complex design problems. Empirically, the comparative case studies provide evidence of the framework's validity, revealing both achievements and limitations of current circular design practices. Practically, the digital platform extends the framework's usability, offering practitioners a concrete tool for evaluating and improving circularity at the building scale. These contributions position BuCI as both an academic innovation and a professional resource. By focusing on building layers, lifespan differentiation, and end-of-life scenarios, the framework provides a more realistic lens through which to understand and enhance circularity. It supports the transition from conceptual ambition to measurable practice, fostering alignment between architectural design, sustainability goals, and circular built environment. The thesis is organized in a series of interconnected stages. The opening chapters situate the research within global sustainability challenges and the rise of circular economy discourse in built environment. Subsequent chapters map the landscape of existing frameworks, outlining the conceptual and methodological gaps that motivate the development of BuCI. The central chapters detail the design, structure, and operationalization of the framework, including its AI-driven calculation weighting mechanisms and KPI logic. Case study applications are then presented, demonstrating empirical validation and generating comparative insights. The thesis concludes with a synthesis of contributions, limitations, and implications for future research and practice, emphasizing the urgency of embedding circularity into mainstream design processes as part of the wider response to climate change and sustainable development. In summary, this thesis addresses a critical need in the transition toward circular built environment. By developing, validating, and operationalizing the Building-scale Circularity Indicator, it contributes a novel, integrative methodology capable of guiding architectural and construction practices toward regenerative futures. It demonstrates that measurement is not merely a technical exercise but a prerequisite for meaningful change: what can be measured can be managed and improved. In this sense, BuCI functions both as a diagnostic tool and as a catalyst for rethinking how buildings are conceived, constructed, and managed. At a moment when climate change and resource scarcity demand profound systemic shifts, such contributions are not optional but essential.
Benzer Tezler
- Döngüsel ekonomi ve salutogenez yaklaşımları bağlamında rejeneratif bina değerlendirme modeli
Regenerative building assessment model in the context of circular economy and salutogenesis approaches
SUNA KAYA
Doktora
Türkçe
2025
MimarlıkMimar Sinan Güzel Sanatlar ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLKAY KOMAN
- Sanal tasarım ortamında tersinir yapıların yapım ve söküm süreçleri üzerine bir metodoloji
A methodology for the construction and disassembly processes of reversible srtuctures in a virtual design environment
AHSEN ZEYNEP DOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEVİL YAZICI
- Crafting wooden-framed bioplastic composite panels through a diy materials design approach
Kendin-yap malzeme tasarımı yaklaşımıyla ahşap çerçeveli biyoplastik kompozit panellerin üretimi
DENİZ TÜMERDEM
Doktora
İngilizce
2024
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEMAN FİGEN GÜL
- 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
- Bina sektöründe döngüsel ekonominin benimsenmesinde etkili olan engeller ve itici güçlerin irdelenmesi
An examination of the barriers and drivers affecting the adoption of circular economy in the building sector
SELİMHAN SEVİNDİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
MimarlıkYıldız Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SUZİ DİLARA MANGAN