Avangart tasarım süreci için kent morfolojisi kısıtlayıcıları ile bir simülasyon modeli
A simulation model with urban morphology constraints for avant-garde design process
Yazar: ASLI AĞIRBAŞ
Danışman: DOÇ. DR. FETHİYE EMEL ARDAMAN
Mimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Teknolojinin getirdiği imkanlar sayesinde, günümüzde yapılaşmada biçimsel olarak farklılıklar yaratılmak istenmekte, bu doğrultuda standart geometrilerden uzaklaşan avangart formların yaratımı konusu olan biçim-bulma alanında birçok araştırma yürütülmektedir. Tez içinde örnekleri verilen bu araştırmalarla beraber mimarlık alanında birçok avangart formun hayata geçirildiği gözlenmektedir. Bu formlarla mimarlar, farklı olanı ortaya koyabilmekte, estetik anlayışlarını tatmin etmekte, üretimdeki limitleri zorlamakta, farklı malzemeler ile çalışma imkanını deneyimleyebilmektedirler. Mimarların bu bakış açısı, ilgili diğer branşları da (malzeme, makine, mekanik ve mekatronik bilimi gibi) harekete geçirmektedir. Bu farklı formların üretimi için birçok dalda ve farklı alanlarda çalışmalar yürütülmektedir. Örneğin 3 boyutlu yazıcılar ile organik formlar üretilmekte, hatta bu makinelerde cam gibi şeffaf malzemelerin kullanımı ile organik ve şeffaf formlar üretilebilmektedir. 3 akslı CNC tezgahlarının yerini döner başlı ve 6 akslı (ya da daha fazla) robotlar almakta, böylece forma sadece x, y, z aksları ile değil, farklı akslarla müdahale edilebilmektedir. Yani farklılaşan formların üretimi her alanı etkilemektedir. Tasarımcılar, tek tip yapılardan uzaklaştıkça ve farklı form kullanımlarına kaydıkça, kütleler büyümekte, fiziksel anlamda çevre ile daha ilişkili hale gelmektedirler. Örneğin yapıların bazı kısımları, peyzaj haline gelebilmekte (Zaha Hadid yapılarındaki gibi), büyük çıkmalarla çevre yapıları etkileyebilmekte (Daniel Libeskind'in ve Frank Gehry'nin yapıları ya da Hernan Diaz Alonso'nun projeleri gibi), ya da altyapı bileşenleri ile bütünleşik hale gelebilmektedir (Tom Wiscombe'nin projeleri gibi). Dolayısıyla artık mimarların tek bir yapıyı tasarlama yerine, fiziksel olarak bölgesel ölçekte tasarlamayı düşünmeye başladıklarını görmekteyiz. Bu tür projelerin, günümüzün teknolojisi ile, makro-ölçekte avangart hareketin öncülerinden sayılabilecek Archigram üyelerinin ve Metabolistlerin tasarladığı projeler gibi 1950'lerde önerilen ve ütopya olarak kalan projeler gibi olma durumu söz konusu değildir. NASA'nın açtığı mimari yarışmalar ya da yapay zeka ile kendi kendini inşa etmesi düşünülen projeler üzerinde çalışıldığı düşünülürse, dünya üzerinde birçok farklı tip projenin üretilebileceği çok olasıdır. Ancak yapılı çevrede proje üretimi, üzerinde dikkatli düşünülmesi gereken bir konudur. Archigram döneminden beri günümüze kadar yaratılan bütün makro-ölçekli avangart projelerde, kentteki var olan fiziksel çevre dikkate alınmamıştır. Bu tezde bu durum bir problem olarak belirlenmiştir ve makro-ölçekteki projelerde kentteki var olan fiziksel dokunun düşünülmesi gerektiği savunulmaktadır. Bu tür projeler, kentte merkezsizleşme (desantralizasyon) yarattığı için kendi sınırlarını oluşturmaya meyillidirler. Ayrıca kentteki var olan, yüzyıllar boyunca kademe kademe oluşmuş, kentin fiziksel devamlılığı açısından önemli öğeleri yok etme eğilimindedirler. Tez kapsamında kentteki fiziksel devamlılığı sağladığı düşünülen öğeler, kent morfolojisi söylem analizi (discourse analysis) ve İngiliz, İtalyan ve Fransız ekollerinden kent morfologlarının söylemlerinin analizi yapılarak ortaya çıkarılmıştır. Bu analizler sonucunda kent morfolojisinin değişmez öğeleri, yol dokusu, topoğrafya, eşikler (surlar, kıyılar, orman alanları gibi) ve özel yapılar olarak belirlenmiştir. Belirlenen bu öğelerin makro-ölçekte yapılacak avangart tasarımlarda sabitler olarak düşünülmesi gerektiği sonucuna varılmış, ve bu doğrultuda tez kapsamında bir uygulama çalışması yapılmıştır. Bu uygulama çalışmasında bilgisayar destekli tasarımın alt dallarından biri olarak kabul edilen simülasyon ile tasarlama bir yöntem olarak belirlenmiştir. Morfodinamik ve morfogenetik tasarım yaklaşımları olarak sınıflandırılan ya da doğa ve biyoloji ile ilişkili tasarım yaklaşımları olarak bilinen, organik formların yaratılmasında doğanın bir metafor olarak kullanıldığı bu alanda simülasyon çalışmaları yapılmış, avangart form üretimleri öncelikli olarak gerçekleştirilmiştir. Morfodinamik yaklaşımda yapılan simülasyon denemelerinde Maya programında dinamik bir simülasyon olan nCloth avangart biçim-bulma için kullanılmış, morfogenetik yaklaşımda ise Rhino programının bir eklentisi olan Grasshopper ile çoklu etmen sistemlerinden sürü aklı betiği (script) yazılıp, simülasyonu avangart biçim-bulma için kullanılmıştır. nCloth simülasyon çalışmalarında, tasarımcının biçimsel formasyonları belirli bir derecede önceden tahmin edebilir olduğu ve tasarımcının tasarıma müdahalesinin olabilirliği ortaya çıkmış, doğada olan bu gibi formasyonların çıplak gözle gözlenemediği ancak simülasyon aracılığıyla zaman faktörünün etkisinin yok edilip istenilen her karedeki biçimsel formasyonun elde edilebilirliği gözlemlenmiştir. Sürü aklı çalışmalarında ise tasarımda tasarımcının etkisinin çok azaldığı ve sürü aklı ile oluşan formasyonların özörgütlenme, belirme gibi özellikleriyle otonom davranışlar sergilediği ortaya çıkmıştır. Matematiksel kurala dayalı oluşan sürü aklı formasyonlarının beliren özellikte çıkardığı kompleks formasyonların biçim-bulma çalışmaları için, avangart tasarımın belirgin kriterlerine göre tatmin edici nitelikte olduğu gözlenmiştir. Bu gibi avangart biçim tasarımı süreçlerinde bütünden parçaya giderek tasarıma yaklaşıldığı sonucuna varılmış ve kavramsal tasarım aşamasında simülasyonların tasarımcı için eskiz görevi görebileceği gözlemlenmiştir. Makro-ölçekte yapılacak bu tip biçim-bulma çalışmalarında ise, önceden belirtildiği gibi, kent morfolojisi sabitlerinin dahil edilmesi gerektiği düşünülmüş ve nCloth ve sürü aklı biçim-bulma uygulamalarına kent morfolojisi analizleri sonucunda ortaya çıkarılan kent morfolojisi sabitleri dahil edilip simülasyon çalışmalarına devam edilmiştir. Makro ölçekte yapılan bu çalışmalarda tasarımcının morfodinamik ve morfogenetik yaklaşımları bir arada kullanmaya doğru yöneldiği ortaya çıkmıştır. Tezde, tasarımda çok yönlü yaklaşımın ve çok yönlü araç kullanımının yaratıcılık açısından olumlu olduğunun bilindiğinden bahsedilmektedir. Dolayısıyla çok yönlü yaklaşımın, birden fazla aracın bir arada kullanımının ve kavramsal tasarım aşamasında bütüncül düşünmenin, yaratıcılık açısından tasarımı daha verimli hale getirdiği sonucuna varılmıştır. Bu çalışmaların verdiği sonuçlar doğrultusunda morfodinamik ve morfogenetik tasarım yaklaşımlarının avantajlarını birleştirmek adına bölgesel ölçekte kavramsal tasarım aşaması için karma bir yaklaşım önerilmiştir.  Bu karma yaklaşımın uygulama çalışması için, tarih boyunca büyük kentsel değişimler görmemiş Cenova kentinin seçilmesi uygun görülmüştür. Öncelikle Cenova'nın genel olarak kentsel morfolojisinin tarihsel olarak nasıl geliştiği araştırılmıştır. Bu araştırmalara göre kentsel büyümenin olası olduğu ve kent morfolojisi sabitlerinin var olduğu bir yer tespit edilmiş ve bu yer uygulama çalışması alanı olarak seçilmiştir. Seçilen alanda çoklu etmen sistemlerinden sürü aklı kullanılmış ve bu çoklu etmen sistemine çevresel girdi olarak kent morfolojisi sabitleri verilmiştir. Geliştirilen betikte (script) sürü aklı etmenlerinin morfogenetik olarak verilen bu çevresel girdilere göre kendilerini organize edip otonom davranışlarda bulunup beliren formlar oluşturmaları, tasarımcının morfodinamik olarak etmenlerin hareketlerini çevresel koşullara (örneğin kat yükseklikleri gibi) göre sınırlaması, simülasyonu formasyona göre istediği zamanda durdurması ve etmenlerin pozisyonlarına göre biçimlerin (NURB yüzeyler, voronoi, metaball gibi) üretiminin kontrolünü sağlaması ile kavramsal tasarım aşamasında farklı tasarım yaklaşımlarının karma bir şekilde bir arada kullanılması önerilmiştir. Bu karma yaklaşımın, tek yönlü bir yaklaşıma göre yaratıcılıkta daha verimli bir yol olduğunun yanı sıra yapay zekanın yapılı çevredeki tasarımda belirli bir derecede kontrolünün gerekliliği sonucuna varılmıştır.
Altı bölümden oluşan tezin birinci bölümü olan giriş bölümünde çalışmanın amacından, kapsamından ve yönteminden bahsedilmiştir. Bu bölümde, problemin tanımı, tezin sınırları, tezin özgünlüğü ve tezde kullanılan araçlar konuları üzerinde durulmuştur. Tezin ikinci bölümünde kent morfolojisi konusu İngiltere, İtalya ve Fransa ekolleri üzerinden incelenmiş ve bu ekollere göre, uygulama çalışmasında kullanılacak olan, kent morfolojisi sabitleri belirlenmiştir. Bu bölümde örneklenen kent morfolojisi modellerinin giderek farklılaşması, avangart geometrilere geçiş anlamında ele alınmıştır. Tezin üçüncü bölümünde günümüzde form bazında bir değişim olarak kabul edilen standart geometrilerden avangart geometrilere geçiş konusu üzerinde durulmuş, spesifik olarak bu konunun doğa ve biyoloji ile ilişkili modelleri üzerinde detaylı inceleme yapılmıştır. Tezin dördüncü bölümünde, tezin beşinci bölümünde yapılacak olan uygulama çalışmasında kullanılan simülasyonlara ilişkin gerekli teorik incelemeler ve tanımlamalar yapılmıştır. Tezin beşinci bölümünde uygulama çalışması yapılmıştır. Bu bölümde Cenova kentinde seçilen alan ile ilgili gerekli ön araştırmalar ve yapılan analizler de yer almaktadır. Alanda yapılan deneysel çalışmanın sonuç ürünleri ile birlikte, bu çalışmanın sonucunda yapılan spesifik çıkarımlar da bu bölümde yer almaktadır. Tezin son bölümü olan sonuç bölümünde ise modele ilişkin genel değerlendirme  yapılmıştır.

Abstract:
Today, through the opportunities brought by technology, the variations of the forms are desired to be created. In this direction, away from the standard geometry, many researches have been carried out on the form-finding area as the subjects of the creation of avant-garde forms. With these researches in the field of architecture, implementation of many avant-garde forms are observed. By these forms, the architects can demonstrate the diversity, satisfy their aesthetic understanding, enforce the limits in production and experience the opportunity to work with different materials. This perspective of the architects activates the relevant branches (such as mechanical, mechatronic and material sciences). For the production of different forms, the studies in many branches are carried out. For example, organic forms are produced by 3D printers, even with the use of transparent materials as glass, organic and transparent forms can be produced by these machines. Instead of 3-axis CNC machines, robots of 6-axis (or more) with rotary head take place, hence forms can be treated not only with x, y, and z axes, but also with different axes. So, the production of differentiated forms can affect every branches. As architects being away from a single type structure and shifting to use different forms, the structures spread and become more associated with the environment in the physical sense. For example, some parts of the structures can become a landscape (as in Zaha Hadid's buildings), can affect the surrounding structures with large overhangings (as Daniel Libeskind's and Frank Gehry's buildings or Hernan Diaz Alonso's projects), or can become integrated with the infrastructure components (as Tom Wiscombe's projects). Therefore, architects, no longer, design a single building, instead, we see that they begin to think about designing physically on a regional scale. Such projects, with today's technology, is not an utopia as proposed projects in 1950's, designed by Archigram members (considered as pioneers of macro-scale avant-garde movement) and Metabolists. If NASA's architectural competitions or work on the projects that are related to the self building by artificial intelligence are considered, the production of many different types of projects are possible in the world. However, production of a project in the built environment is an issue that must be considered carefully. In all the macro-scale avant-garde projects which were done from the Archigram period to the present day, the existing physical environment of the city was not taken into account. In this thesis, this situation has been identified as a problem and in the macro-scale projects, the necessity of the consideration of existing physical tissues of a city was defended. This type of projects, which ignore the present physical environment, tend to form their own borders because of creating decentralization in the city. In addition, they tend to destroy the city's existing elements, which were formed gradually over the centuries and are important in terms of physical continuity of a city. In the thesis, the elements which were supposed to provide physical continuity in the city, were determined from the discourse analysis of urban morphology and the analysis of the discourses of urban morphologists from British, Italian, and French ecoles. As a result of this analysis, road system, topography, thresholds (as walls, shores, forest areas) and special structures are defined as unchangeable elements of urban morphology. It was concluded that these defined elements should be considered as constants for the macro-scale avant-garde design, and an application study has been carried out in this direction for the thesis work. In the study, design by simulation, which is accepted as one of the sub-branch of computer-aided design, was chosen as a method. In the area for the creation of organic forms by using the nature as a metaphor, which are classified as morphodynamic and morphogenetic design approaches or known as design approaches associated with nature and biology, simulation studies have been carried out, and avant-garde form productions have been done primarily. The simulation tests, done in the morphodynamic approach, nCloth which is a dynamic simulation in Maya software, was used for of avant-garde form-finding. In the morphogenetic approach, swarm intelligence script of multi-agent systems was written with Grasshopper (a plug-in of Rhino software) and its simulation was used for avant-garde form-finding. In nCloth simulation studies, the designer can predict the formal formations to a certain degree in advance and possibility of intervention of the designer to the design has been observed. Such formations in nature can not be observed by naked eyes, but the attainability of the formation in any desired frame has been observed via eliminating the effect of the time factor through simulation. In the swarm intelligence studies, the decreasing effect of the designer in the design process and the formation of the forms by swarm intelligence, exhibiting autonomous behaviors such as the features of self-organization and emergence have appeared. Complex forms produced by swarm intelligence formations, which is based on mathematical rules, have been observed as satisfactory in quality for form-finding studies according to the prominent avant-garde design criteria. As in the avant-garde form design processes, it was reached the conclusion that the design approach goes to the parts from the whole, and at the conceptual design stage, it was observed that  the simulations can have the  task of sketches for the designer. As mentioned earlier, requirement of inclusion of urban morphological constants was considered in this type of macro scale form-finding studies and the constants which were obtained from the analysis of urban morphology, were included to the form-finding applications of nCloth and swarm intelligence and continued to the simulation studies. In these studies, carried out on macro scale, the aim of designer emerged to use the morphodynamic and morphogenetic approaches together. In the thesis, in terms of creativity, the multidirectional approach and the usage of multiple tools in design was mentioned as to be known favorable. Thus, the multidirectional approach, the usage of combination of more than one tool together and the holistic thinking in the conceptual design stage have been considered for design to be more efficient in terms of creativity. With the direction of the results obtained by this study, a combined approach, which has the combination of advantages of morphodynamic and morphogenetic design approaches, has been proposed for the conceptual design stage at the regional scale. For the application of this combined approach, Genoa city which did not face great urban changes throughout the history, has been found to be appropriate. First, how Genoa's urban morphology, in general, developed historically was investigated. According to this investigation, a place which has a potential of urban growth and urban morphological constants, has been determined and was chosen as the area of application study. In the selected area, multi-agent based systems was used and the urban morphological constants were given as environmental inputs to this multi-agent based system. In the developed script, the usage of combination of different design approaches together at the conceptual design stage have been proposed with the formation of the appearing forms by swarm intelligence agents throughout organizing themselves with these environmental inputs given as morphogenetic, and the limitation of the movements of agents by designer according to the environmental conditions (e.g. heights of the structures), stopping the simulation according to the formation in any time and according to the position of the agents, ensuring the control of the production of the shapes (as NURBS surfaces, voronoi, metaball) as morphodynamic. It has been concluded that, in comparison to the one-way approach, the combined approach is more efficient for creativity and the control of the artificial intelligence to a certain degree is necessary in the design at the built environment.
The thesis consists of six sections. In the first section as an introduction part, the object, the scope and the method of the study were mentioned. In this section, the definition of the problem, the boundaries and the originality of the thesis and the tools used in the thesis were the issues, which were focused on. In the second section, the subject of urban morphology was examined through England, Italy and France schools and according to these schools, urban morphology constants, which would be used in the application studies, were determined. In this section, increasingly differentiation of illustrated models of urban morphology was discussed in terms of the transition to the avant-garde geometries. In the third section of the thesis, the issue of the transition of the standard geometry to the avant-garde geometry, which is, today, accepted as a form based change, was focused on and specifically detailed examination was carried out on the models of this issue associated with nature and biology. In the fourth section, the necessary theoretical research and definitions related to simulations, which were used in the application studies of fifth section, were done. In the fifth section of the thesis, an application study was carried out. In this section, the necessary preliminary research and analysis on the selected area in Genoa took place. Together with the results of the experimental study on the area, the specific conclusions, which were made in the end of this study, also took place in this section. In the final section of the thesis, general evaluation related to the model was done.