İklime duyarlı tasarım bağlamında parametrik bir model önerisi: İzmir/Seferihisar örneği
A parametric model proposal in the context of climate responsive design: The case of Izmir/Seferihisar
Yazar: HÜSEYİN ÖZDEMİR
Danışman: DOÇ. DR. BİLGEHAN YILMAZ ÇAKMAK
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Mimarlık = Architecture
Dizin: Bilgisayar destekli tasarım = Computer aided design ; Bina tasarımı = Building design ; Hesaplamalı tasarım = Computational design ; Mimarlık = Architecture ; İklim = Climate

Özet:
İklime duyarlı tasarım, belirli bir bölgenin iklim verilerine bağlı yapının biçimini tasarlama ilkelerine dayanmaktadır. Bu doğrultuda çalışma kapsamında öne sürülen "bölgelerin kimliklerine, yerel değerlerine ve özgünlüklerine sahip çıkacak bir şekilde, yer'e özgü iklim değerlerinin başarılı bir şekilde yeni mimari tasarımlara nasıl yansıtılacağı" çalışmanın ana (araştırma sorusu) problemi olarak belirlenmiştir. Belirlenen problem doğrultusunda iklime duyarlı binaların parametrik tasarım yöntemi ile pratikteki mimarlık çalışmalarında uygulanabilirliğini arttıran tasarımların ortaya konması hedeflenmiştir. Bu hedefe bağlı olarak tez çalışmasında parametrik tasarım yönteminin uygulanması için bir çerçeve oluşturulması amaçlanmaktadır. Parametrik tasarım yönteminin uygulanmasına yönelik oluşturulan bu çerçevede bina tasarımının değerlendirildiği bir model önerilmiştir. Model algoritma ve üç boyutlu çalışma ortamı gerektirdiğinden dolayı, Rhinoceros ve uzantısı Grasshopper programları kullanılarak geliştirilmiştir. Oluşturulan model, tasarımın herhangi bir evresinde verileri silmeden yeni veri değerlerine uygun yapılandırılarak değişikliklere hızlı cevap verilebilmektedir. Bu yapılandırma tasarım girdisi ve çıktısı arasında hızlı bir etkileşimle pratik çözümler getirmektedir.
Modelin iskeletini, gelişmiş simülasyon evresi, tasarım alt parametrelerini belirleme evresi, algoritma üretim evresi ve alternatif mimari formların optimizasyon evresi oluşturmaktadır. Gelişmiş simülasyon evresinde, belediyeden elde edilen veriler ve yerinde yapılan gözlemeler doğrultusunda yerleşim ölçeği, bina ölçeği ve bina kabuğu ölçekli bir şekilde kütlesel blok düzeninde Rhinoceros programında simüle edilir. Tasarım alt parametrelerini belirleme evresinde, son zamanlarda tasarımcıların ayrı ayrı üzerinde yoğunlaştığı güneşlenme süresi, güneş radyasyonu, rüzgâr, gölge, gökyüzü açıklığı ve dış mekân termal konfor parametreleri bir arada değerlendirilmektedir. Algoritma üretim evresinde, diğer evrelerde elde edilen verileri işleyen algoritmalar Grasshopper ortamında geliştirilmektedir. Alternatif mimari formların optimizasyon evresinde ise, parsel içerisindeki konut yoğunluğunu sabit bir oranda tutarak, bina oturum alanı, binanın yönlendirilmesini ve binalar arasındaki en boy oranına göre farklı tasarım alternatifleri üretilmektedir. Son olarak, üretilen tasarımların optimumluk düzeyi karşılaştırılmaktadır. 
Tez çalışması kapsamında geliştirilen model Seferihisar'ın Merkez, Sığacık ve Tepecik Mahallelerinde orta derece yoğunlukta konut bloklarını içeren üç farklı yapı adasına uygulanmıştır. Analiz sonucunda, her üç yapı adasında da mevcut yerleşim alanında bulunan konut blokları iklimi dikkate alan bir düzende tasarlanmamıştır. Üretilen tasarım alternatiflerinde ise en-boy oranı 0,23-0.43 arasında ve 0,65 üzerinde orana sahip tasarımlar güneşlenme süresi, gökyüzü açıklığı ve rüzgâr açısından konforlu olduğu gözlemlenirken güneş radyasyon, gölge ve dış mekân termal konfor parametreleri açısından konforsuz bir durum gözlemlenmiştir. En-boy oranı 0.43-0,65 arasında değere sahip olan tasarımlarda ise bütün parametrelere bağlı olarak optimum çözümleri sunduğu tespit edilmiştir. Mevcut durumdaki konut bloklarının cephelerinde yıllık 2500 saat ve üzeri güneşlenme süresine sahip yüzeyler %29-%43 arasında değişmektedir. Üretilen alternatif tasarımlarda ise, bu değer %38-%48 arasında değişmektedir. Mevcut durumdaki konut bloklarında Güneş radyasyon düzeyi %35 oranındayken üretilen alternatif tasarımlarla bu oran %30'lara kadar düşmektedir. Rüzgâr analizleri sonucunda, mevcut durumdaki ve üretilen tasarım alternatiflerindeki konut bloklarına Beaufort skalasına göre insana hafif rüzgâr biçiminde etki etmektedir. En sıcak yaz aylarında konut bloklarının gölgeleri açık alanlar üzerine düşmektedir. Mevcut durumdaki ve üretilen tasarım alternatiflerindeki konut bloklarının cephelerinde %50 ve üzeri SVF değerine sahip yüzeyler %22 ile %43,65 arasında değişmektedir. Termal dış mekân konfor analizlerinin sonuçların evrensel iklim termal indis (UTCI) değerlerine göre Merkez Mahallesi'nde 22,88-26,55 0C, Sığacık Mahallesinde 18,81-24,48 0C ve Tepecik Mahallesinde 22,93-24,48 0C arasında insan üzerinde bir etki bırakmaktadır. 
Tez çalışması kapsamında geliştirilen model, araştırmadaki gelişmeye açık veya mevcut yerleşim alanlarında iklime duyarlı tasarımların geliştirilmesine yönelik bir boşluğu doldurarak ve aynı zamanda birden fazla parametrenin (güneşlenme süresi, güneş radyasyonu, rüzgâr, gölge, gökyüzü açıklığı ve dış mekân termal konfor) bir aradalığını sağlayarak iklimi dikkate alan üretken bir tasarım oluşturmasına katkıda bulunmaktadır. Model, yerleşim alanlarının mevcut durumunu ve yerleşim alanı üzerinde üretilen yeni alternatif mimari formları güneşlenme süresi, güneş radyasyonu, rüzgâr, gölge, gökyüzü açıklığı ve dış mekân termal konfor açısından sorgulamaktadır. Bu sorgulamanın sonucunda bölgelerin kimliklerine, yerel değerlerine ve özgünlüklerine sahip çıkacak bir şekilde, yer'e özgü iklim değerlerinin başarılı bir şekilde mimari tasarımlara aktarma fırsatı sunmaktadır.

Abstract:
Climate-sensitive design is based on the principles of designing the shape of the building based on the climate data of a particular region. In this direction, the study's main (research question) problem was "how to successfully reflect the local climatic values into new architectural designs in a way that will protect the identities, local values, and originality of the regions." In line with the identified problem, this research aims to reveal designs that increase the applicability of climate-sensitive buildings in parametric design methods and practical architectural studies. Depending on this goal, it aims to create a framework for applying the parametric design method in the thesis study. In this framework, which was created to implement the parametric design method, a model in which the building design is evaluated has been proposed. Because the model requires algorithms and a three-dimensional working environment, Rhinoceros and its extension were developed using Grasshopper programs. The created model can be configured according to the new data values without deleting the data at any design stage, and it can react quickly to changes. This configuration brings practical solutions with fast interaction between design input and output.
The model's skeleton comprises the phase of advanced simulation, the phase of determining design sub-parameters, the algorithm production phase, and the optimization phase of alternative architectural forms. In the advanced simulation phase, mass blocks are simulated in the Rhinoceros program at the settlement, building, and building envelope scales based on data from the municipality and on-site observations. In determining design sub-parameters, parameters such as sunlight, solar radiation, wind, shade, sky view factor, and outdoor thermal comfort, which designers have recently been focusing on separately, are evaluated together. In the algorithm production phase, algorithms that process data obtained in other phases are developed in the Grasshopper environment. In the optimization phase of alternative architectural forms, different design alternatives are produced by maintaining a constant housing density within the parcel and according to building footprint area, building orientation, and aspect ratio between buildings. Finally, the optimality level of the generated designs is compared.
The model developed within the scope of the thesis study was applied to three different building blocks containing medium-density residential blocks in the Merkez, Sığacık, and Tepecik Neighborhoods of Seferihisar. As a result of the analysis, the housing blocks located in the existing settlement area in all three building blocks were not designed in a way that takes into account the climate. In the design alternatives produced, designs with an aspect ratio between 0.23-0.43 and a ratio above 0.65 were comfortable in terms of sunlight, sky clarity, and wind. In contrast, an uncomfortable situation was observed regarding solar radiation, shade, and outdoor thermal comfort parameters. It has been determined that the designs with an aspect ratio between 0.43-0.65 offer optimum solutions depending on all parameters. The surfaces with an annual sunlight duration of 2500 hours or more on the facades of the existing housing blocks vary between 29% and 43%. This value varies between 38% and 48% in alternative designs produced. While the solar radiation level is 35% in the current housing blocks, this rate drops to 30% with the alternative designs produced. As a result of wind analysis, the residential blocks in both the current situation and the produced design alternatives are affected by light wind according to the Beaufort scale. In the hottest summer months, the shadows of the residential blocks fall on open areas. The surfaces on the facades of the residential blocks in both the current situation and produced design alternatives, with an SVF value of 50% or more, range from 22% to 43.65%. According to the universal climate thermal index (UTCI) values of the results of thermal outdoor comfort analysis, it leaves an impact on people ranging from 22.88-26.55°C in Merkez Neighbourhood, 18.81-24.48°C in Sığacık Neighbourhood, and 22.93-24.48°C in Tepecik Neighbourhood.
The model developed within the scope of the thesis study contributes to creating productive designs that take climate into account by filling a gap in developing climate-sensitive designs in areas that are open to development or have existing settlements and by providing a combination of multiple parameters (sunlight, solar radiation, wind, shade, sky view factor, and outdoor thermal comfort). The model questions the current state of settlement areas and newly produced alternative architectural forms regarding sunlight, solar radiation, wind, shade, sky view factor, and outdoor thermal comfort. As a result of this questioning, it offers an opportunity to successfully transfer site-specific climate values to architectural designs that will preserve the identity, local values, and uniqueness of regions.