Performans tabanlı parametrik ve adaptif bina kabuğu tasarım önerisi
Performance based parametric and adaptive building facade design proposal
Yazar: BÜŞRA YAMAN
Danışman: DOÇ. DR. ÜMİT TURGAY ARPACIOĞLU
Mimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Fiziği ve Malzemesi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Cephe tasarımı = Facade design ; Görsel konfor = Visual comfort ; Gün ışığı = Daylight ; Hesaplamalı tasarım = Computational design ; Parametrik teknikler = Parametric techniques

Özet:
Mimarlık alanında son zamanlarda performans tabanlı tasarıma yönelik çalışmalar teknik alanı da kapsamak üzere mimarların sürece etkin olarak katılımını mümkün hale getirmiştir. Yeni nesil dijital teknikleri mimarlara farklı formlara sahip geometrileri algılama ve kontrol etme imkanı sunmaktadır.  En yüksek enerji tüketimi olan sektörlerin başında yapı sektörü gelmektedir. Binalardaki enerji korunumu, ısı ve enerji akışının yoğunlukta gerçekleştiği bina kabuğuna eğilim, gelişen teknoloji ile birlikte araştırmaların ilgi alanı olmuştur. Dış ortam ile iç ortamı birbirinden ayıran eleman olan bina kabuğuna, ısı geçişini kontrol etme, filtreleme ve yönlendirme gibi yeni işlevler kazandırılmış ve dinamik bileşenlere sahip olan kabuklar geliştirilmeye başlanmıştır. 
Yapı fiziği alanında son yıllarda hızla devam eden bilimsel ve teknolojik çalışmalar, aktif ve pasif tasarım stratejileri ile birlikte düşük enerjili binaların tasarımına odaklanmıştır. Pasif stratejileri benimseyen yaklaşım, yenilenemeyen enerji kaynaklarının tüketimini azaltacak biçimde tasarım kararları, morfoloji, malzeme secimi gibi kriterler ile kontrol edilmesini amaçlamaktadır. Geleneksel yapı kabuklarının çoğu barınma, dış etkilerden korunma ve optimum konfor koşullarını sağlamaya yönelik tasarlanmıştır. Yapı kabuğunun bu işlevi, genellikle iç ve dış ortam arasında ısı, nem, hava geçişi gibi fiziksel olayların kontrol edilmesi üzerinden kurgulanmıştır. Geleneksel yapı kabukları genelde statiktir ve çevresel değişikliklere cevap verecek şekilde fiziksel özelliklerini değiştirme yeteneğine sahip değildir. Yapı kabuğunun saydam kısmı gün ışığının iç mekana dahil olmasında, gün ışığının kullanımında, binaların enerji tüketiminin azaltılmasında ve daha yüksek düzeyde iç mekan çevre kalitesi elde etmede önemli bir yere sahiptir. Dolayısıyla, bina kabuğu bir binanın enerji performansında en önemli etkenlerden biri olarak kabul edilmektedir. 
Enerji tüketimi ve konfor parametreleri bakımından bina kabuğu tasarımı önemli bir yere sahiptir. Bu çalışma bağlamında, adaptif cephe tasarımlarının farklı çevresel koşullara yanıt verme konusunda esnekliği nedeniyle yapının enerji performansını yükseltme ve enerji tasarrufu konularında çok daha etkin oldukları savunulmaktadır. Bu çalışmanın devamında, değişen dış koşullara bağlı olarak kontrol etme olanağı veren ve kullanıcılar için konforlu iç ortam koşullarını enerji verimliliği sağlayarak mümkün hale getiren adaptif bina kabuklarının potansiyeli araştırılmaktadır.
Bilgi teknolojisindeki gelişmeler, sayısal ortama geleneksel yöntemlerle mümkün olmayan tasarım alternatiflerinin oluşturulmasına olanak sağlamakta ve tasarım sürecinin buna göre şekillenmesini sağlamaktadır. Bilgisayar bilimlerinin temelini oluşturan algoritmik düşünce, bir problemin çözümüne dayanan ve tasarımın daha kolay ortaya konmasına olanak sağlamaktadır. Algoritmanın temelini oluşturduğu parametreler ise bir durum için tanımlanan ve değiştirilebilen niceliklerdir. Tasarım sürecinde değiştirilebilen parametreler tasarımcıya birçok alternatif sunarak ortaya çıkan tasarımlarda algoritmanın kontrol edilebildiği özgün kabui tasarımlarına olacak vermektedir. Mimarlığın yeni metodu olarak sayılan parametrik tasarım algoritmalara bağlı performans tabanlı tasarım alanında da aktif olarak kullanılmaktadır. Bu anlamda bina performansını iyileştiren ve optimize eden tasarım araçları tasarım sürecinde etkindir. Bu anlamda bu tez çalışması performans tabanlı uyarlanabilir bina kabuğu tasarımını desteklemek adına adaptif bina kabuğu model önerisi ve simülasyon teknikleri ile parametrik tasarlama metod önerisi sunmaktadır. 
Ofis mekanlarında yeterli gün ışığı seviyesinin sağlanması son yıllarda önemli araştırma konularından biri olarak ele alınmaktadır. Yeterli gün ışığı, enerji verimliliği ve iyileştirilmiş kullanıcı konforuna yönelik olarak yapı kabuğunda farklı yaklaşım ve stratejiler önem kazanmaktadır. Yapı kabuğu iç ve dış ortamı birbirinden ayırmakta olan bir ara yüzdür ve mekandaki günışığı seviyelerini ve bina kullanıcılarının konforunu optimize etme amacıyla konfor ve performansa yönelik parametreleri etkileyen ve bu özellikleri ile adaptif niteliklerin en kapsamlı araştırıldığı bir çalışma alanı haline gelmiştir.
Bu tez çalışmasında parametrik tasarım metodu ile güneş hareketini tamamen takip edebilen, doğrudan güneş ışığından koruyan ve görsel konfor için homojen dağıtılmış günışığı sağlayan yenilikçi bir adaptif-esnek bina kabuk sistemini araştırmaktadır. Bu araştırmalar ele alınarak adaptif cephe tasarımı aydınlatma analizleri ile bina performansını inceleyerek devam edecektir. Tüm sistem, bir ofis hacminin simülasyon yöntemiyle daha üniform ve eşit günışığı dağılımı elde etmeyi amaçlayan parametrik tasarım kullanılarak bağlanır ve kontrol edilir. Simülasyondan elde edilen sonuçlar günışığı seviyeleri ve görsel konfor bağlamında karşılaştırılmış ve analiz edilmiştir. Önerilen adaptif cephe kabuk tasarımı, doğal günışığı miktarını en üst düzeye çıkarmak için parametrik kontrolleri kullanan yenilikçi ve algoritmik yöntemleri temsil etmektedir.
Tezin ilk bölümünde, adaptif bina kabuğu tanımı ve tasarım parametreleri ile günışığının mimari tasarımda performans metrikleri anlatılmıştır. İkinci bölümde, hesaplamalı tasarım kapsamında performans tabanlı tasarım yöntemleri ve bu alanda parametrik tasarlama metodunun etkileri tartışılmıştır.  Son bölümde ise varsayımsal bir ofis bina cephesi için günışığı performansına dayalı bir adaptif cephe tasarım model denemesi gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Recent studies on performance-based design in the field of architecture have made it possible for architects to actively participate in the process, including the technical field. New generation digital techniques offer architects the opportunity to detect and control geometries with different forms. The construction sector is one of the sectors with the highest energy consumption. Energy conservation in buildings, the tendency to the building envelope where heat and energy flow are intense, has been the field of research with the developing technology. The building envelope, which is the element that separates the exterior and interior spaces from each other, has gained new functions such as controlling the heat transfer, filtering and directing, and skins with dynamic components have been started to be developed. Scientific and technological studies in the field of building physics in recent years have focused on the design of low-energy buildings together with active and passive design strategies. The approach, which adopts passive strategies, aims to control non-renewable energy resources with criteria such as design decisions, morphology, and material selection in a way that will reduce their consumption. Most of the traditional building envelopes are designed to provide shelter, protection from external influences and optimum comfort conditions. This function of the building envelope is generally built on the control of physical events such as heat, humidity and air passage between the indoor and outdoor environment. Conventional building envelopes are generally static and incapable of changing their physical properties in response to environmental changes. The transparent part of the building envelope has an important place in the incorporation of daylight into the interior, the use of daylight, reducing the energy consumption of buildings and achieving a higher level of indoor environmental quality. Therefore, the building envelope is considered as one of the most important factors in the energy performance of a building. Building envelope design has an important place in terms of energy consumption and comfort parameters. In the context of this study, it is argued that adaptive facade designs are much more effective in increasing the energy performance of the building and saving energy due to its flexibility in responding to different environmental conditions. In the continuation of this study, the potential of adaptive building envelopes, which allow control depending on changing external conditions and enable comfortable indoor conditions for users by providing energy efficiency, is investigated. Developments in information technology enable the creation of design alternatives that are not possible with traditional methods to the digital environment and enable the design process to be shaped accordingly. Algorithmic thinking, which forms the basis of computer science, enables the design based on the solution of a problem to be revealed more easily. The parameters that form the basis of the algorithm are the quantities defined for a situation and can be changed. The parameters that can be changed during the design process provide the designer with many alternatives, giving the original kabuki designs in which the algorithm can be controlled in the resulting designs. Parametric design, which is considered as the new method of architecture, is also actively used in the field of performance based design based on algorithms. In this sense, design tools that improve and optimize building performance are effective in the design process. In this sense, this thesis presents an adaptive building envelope model proposal and simulation techniques and parametric design method proposal in order to support performance-based adaptive building envelope design. Ensuring sufficient daylight level in office spaces has been considered as one of the important research topics in recent years. Different approaches and strategies are gaining importance in the building envelope for adequate daylight, energy efficiency and improved user comfort. The building envelope is an interface that separates the indoor and outdoor environments, and it has become a study area in which the parameters of comfort and performance are investigated in the most comprehensive way, with the aim of optimizing the daylight levels in the space and the comfort of the building users.

In this thesis, an innovative adaptive-flexible building envelope system is researched that can fully follow the sun's movement with the parametric design method, protect it from direct sunlight and provide homogeneously distributed daylight for visual comfort. These studies will continue by examining building performance with adaptive facade design lighting analysis. The entire system is connected and controlled using parametric design, which aims to achieve a more uniform and even daylight distribution by simulating an office volume. The results from the simulation were compared and analyzed in terms of daylight levels and visual comfort. The proposed adaptive façade shell design represents innovative and algorithmic methods that use parametric controls to maximize the amount of natural daylight. In the first part of the thesis, the definition of adaptive building envelope and design parameters and the performance metrics of daylight in architectural design are explained. In the second part, performance-based design methods within the scope of computational design and the possible effects of the parametric design method in this field are discussed. In the last part, an adaptive facade design model trial based on daylight performance is carried out for a hypothetical office building facade.