Çevresel performans odaklı adaptif cephe modülü için akıllı sistem tasarımı
Intelligent system design for environmental performance oriented adaptive façade module
Yazar: ERHAN KARAKOÇ
Danışman: PROF. DR. GÜLEN ÇAĞDAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Bilişim Ana Bilim Dalı / Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Günümüz teknolojik gelişmeleri, binaların çevresiyle ile olan ilişkilerinin yeniden sorgulanmasını gerekli kılmaktadır. Binalar çevreleri ile ilişki kurarak kendilerini değişen şartlara göre adapte edebilme potansiyeline sahiptirler. Çevresine adapte olan binalar ve bileşenleri Adaptif Mimarlık yaklaşımı altında değerlendirilmektedir. Adaptasyonun binalar için vazgeçilmez bir unsur olduğu görülmektedir. Teknolojiye bağlı olarak gelişen günümüz mimarlık anlayışında, binalar çevrelerindeki değişimleri algılayıp bunları veriye çevirip, bu verileri yorumlayarak adapte olmaktadırlar.
Akıllı binalar olarak nitelendirilen bu binalar çeşitli algılayıcı sistemleri ile donatılmışlardır. Bu algılayıcılar çevresel verilerin algılanıp, binanın veya bileşenin işleyici mekanizma tarafından değerlendirilmesi için aktarılmasını sağlamaktadır. Aktarılan bu veri çeşitli kontrol stratejileri ve karar verme süreçleri ile yorumlanmakta ve belirli durumlar için binanın adaptasyon sürecine katkı sağlayacak şekilde kullanılmaktadır. Tüm bu adaptasyon sürecinin esas amacı binanın performansına katkıda bulunmak ve bina kullanıcısının konfor koşullarını optimum seviyede tutmak olarak özetlenebilir. Bu sürecin en önemli parçası binaların ve bileşenlerinin yönetilmesini sağlayan kontrol stratejileri olarak nitelendirilebilir. Akıllı sistemler bir dizi karar verici sistemden oluşan kontrol stratejileri tarafından yönetilmektedir.
Akıllı binalarda bu stratejiler, "beyin" adı verilen bina yönetim sistemleri aracılığıyla tek bir merkezden yürütülmektedir. Akıllı cephelerde ise bina yönetim sistemine ve prosedürüne bağlı olarak ya da dağıtık olarak yürütülebilmektedir. Cephelerin kontrol edilmesinde, dağıtık sistemlerin kullanılması mekana ve kullanıcıya özgü seçimler sunduğundan, merkezi sistemlere kıyasla bazı avantajlar sağlayabilmektedir. Aynı zamanda algılayıcıların, işleyicilerin, eyleyicilerin ve veri depolama araçlarının boyutlarının küçülmesi, maliyetlerinin düşmesi gibi etkenler de düşünüldüğünde, günümüz performans odaklı, adaptif ve akıllı cephelerinin kontrol mekanizmalarında dağıtık sistemler daha öne çıkmaktadır.
Buna ek olarak adaptif ve akıllı cephelerin kontrol edilmesi sürecinde çeşitli çatışmalar ve parametrelerin hiyerarşik bir biçimde yönetilemediği durumlar da olabilmektedir. Bu çatışmaların sebepleri; bina kullanıcısı, çevresel ihtiyaçlar ve bina bileşenlerinin ihtiyaçlarının uyuşmazlıkları olarak özetlenebilir. Bu çatışmalar; bina kullanıcısı için uygun konfor koşullarının sağlanamamasına, cephenin bileşenlerinin hareket sayısının fazlalığına bağlı olarak malzeme yorulmalarına, enerji etkinliğinin sağlanamamasına sebep olabilmektedir.
Tezde, belirtilen bu çatışmalara çözüm olması beklenen bir kontrol stratejisi ve karar verici sistem tasarlanması amaçlanmıştır. Bu strateji Düşünen-Öngören Kontrol Stratejisi olarak adlandırılmaktadır. Düşünen-Öngören Kontrol Stratejisi sayesinde bu çatışmaların en aza indirilmesi için hesaplamaya dayalı stokastik bir akıllı sistemin tasarlanması hedeflenmiştir. Önerilen kontrol stratejisi, girdilerin hiyerarşik olarak yönetilmesini sağlayan Öncelik Algoritması ve sıcaklığın öngörülü bir biçimde kontrolünü sağlayan Kritik Karar Algoritmasından oluşmaktadır.
AIF (Gelişmiş Akıllı Cephe: Advanced Intelligent Façade) modülü bu kontrol stratejisinin ve karar verici mekanizma ile algoritmaların gömülü olduğu elektromekanik ve performans odaklı bir modüler cephe prototipidir. Belirli değer aralıklarında belirlenen tepkileri vermek üzere kurgulanan AIF modülü sıcaklık, ışık ve aydınlık düzeyi ve nem parametrelerini işleyiciler ile değerlendirip, eyleyicilere iletmektedir. Eyleyiciler, modülün katmanlarını açıp kapatarak ya da aktif veya pasif hale getirerek yönetirler. AIF modülü katlanabilir panjur ve elektrokromik akıllı cam olmak üzere iki katmandan oluşmaktadır. Bu katmanlar algoritmalar tarafından kontrol edilmektedir. Bu algoritmalar istatistiki verinin kaydedildiği veri tabanlarına bağlı olarak çalışmaktadırlar. Yönetim mekanizmasında gömülü olarak bulunan Düşünen-Öngören Kontrol Stratejisi sayesinde AIF modülü istatistiki veriyi ve anlık ölçümleri değerlendirerek eyleyicilerin en etkin ve isabetli kararlara göre hareket etmesini sağlamak için tasarlanmıştır.
Bu tez kapsamında geliştirilen AIF modülünün kullanıcı konforunu sağlaması ve binanın enerji etkinliğine katkıda bulunması amaçlanmaktadır. Bu kapsamda AIF modülünün dijital ve fiziksel ortamda simülasyonları yapılmıştır. Modülün karar verici sisteminin simülasyonu ile modülün işlerliği, istatistiki veriyi ve ölçümlenen anlık veriyi isabetli bir biçimde muhakeme ederek uygun tepkileri ürettiği gözlenmiştir. Aynı zamanda AIF modülünün yazılım ve donanımının bütüncül bir şekilde çalıştığı girdilerin, işleyicilerin ve eyleyicilerin uyumlu işleyişlerinin olduğu belirlenmiştir.
AIF modülünün meteorolojik veriler ile yapılan iki aşamalı simülasyonu sonucunda modülün belirli değer aralıklarında etkin bir biçimde çalıştığı ve iç mekanda kullanıcı konforunun ve enerji etkinliğinin artırılmasına katkıda bulunduğu tespit edilmiştir. Aynı zamanda modülün bazı senaryolarda hareket sayısını minimize etmeye yönelik hesaplamalar yaptığı da belirlenmiştir.
Bu simülasyonların ve performans doğrulamalarının incelenmesi sonucunda, AIF modülün kısıtları ve geliştirilme potansiyelleri belirlenmiştir. Buna göre, AIF modülünün dağıtık kontrol stratejilerinin uygulandığı ve Mimarlık, Mühendislik ve İnşaat endüstrisine katkı sağlayabilecek elektromekanik ve gelişmiş akıllı bir prototip olarak değerlendirilebileceği öngörülmüştür.
Tez beş ana başlıktan oluşmaktadır. Giriş bölümünde, problem tanımı, tezin amacı ve kapsamı, tezde izlenen yöntem, tezin özgün değeri ve yaygın etkisi anlatılacaktır.
İkinci bölümde, günümüzde adaptif mimarlık yaklaşımı literatürdeki çalışmalar ile değerlendirilmektedir. Performans kavramı ve performans odaklı tasarım yaklaşımı alandaki önemli araştırmacıların performans tanımları ile yaygın olarak kabul gören tanımlar irdelenmiştir. Ayrıca adaptif mimarlığın tanımı, türleri ve süreç içerisindeki gelişimi adaptif ve adapte edilebilen binalar bağlamında tartışılmıştır. Adaptasyonun neye göre tasarlandığına dair incelemelerde bulunulmuştur. Adaptif yapı ve bileşenleri ile adaptasyon unsurlarının birbirleriyle olan ilişkileri anlatılmış ve adaptasyon mekanizmasındaki rolleri tartışılmıştır. Tüm bu ilişkilerin incelenmesi ve literatürdeki çalışmaların irdelenmesi sonucunda ortaya çıkan adaptif mimaride tasarım stratejileri sistematik bir biçimde okuyucuya aktarılmıştır.
Üçüncü bölümde akıllı binaların kontrol stratejileri ve bu stratejilerin uygulanmasında önemli rol oynayan kararların oluşturulmasını sağlayan, karar verici sistemler anlatılarak modülün anlatıldığı dördüncü bölüm için teorik, teknik ve bilimsel alt yapının hazırlanması amaçlanmıştır. Bu bölümde kontrol stratejileri ile karar verici sistemler ve bunların çalışma prensipleri ile binalardaki kullanımları örnek çalışmalar ile anlatılmıştır. Günümüz yenilikçi bina yaklaşımlarından olan akıllı binalar ve kontrol mekanizmaları bu bölümde ele alınmıştır. Bu bölümde, dağıtık sistemler ve prototipler incelenmiş ve mevcut kavramsal çerçeveler içerisinde üç farklı kontrol stratejisinin çizelgeler yardımıyla anlatımı gerçekleştirilmiştir. Aynı zamanda kontrol stratejileri ve karar verici sistemleri ile ilgili literatür baz alınarak yeni bir sentez oluşturulmuştur. Bu analizlerin sonucunda Geleneksel Kontrol Stratejisi, Koşullu Kontrol Stratejisi, Hiyerarşik Koşullu Kontrol Stratejisi'nin işleyişi, avantajları ve dezavantajları karşılaştırmalı olarak anlatılmıştır.
İlk üç bölümde anlatılan, modülün kuramsal altyapısının ve kavramsal çerçevesinin anlaşılırlığına ışık tutacak olan bölümler, dördüncü bölümde uygulamalı bir şekilde anlatılmıştır.
Dördüncü bölüm, ardışık olan üç aşamayı anlatmaktadır. Bu ardışık süreç; önerilen kontrol stratejisini, bu stratejinin uygulandığı iki katmanlı elektromekanik ve gelişmiş akıllı cephe modülü olan AIF'in; simülasyonu ile performansının doğrulanması işlemlerini sistematik bir şekilde anlatmaktadır. Dördüncü bölümde, tez kapsamında geliştirilen özgün kontrol stratejisi olan Düşünen-Öngören Kontrol Stratejisinin kavramsal çerçevesi oluşturulmuştur. Önerilen kontrol stratejisinin işleyişi, avantajları ve dezavantajları değerlendirilmiştir.
Modülün Tasarımı ve Çalışma Prensibi bölümünde, literatürdeki bilgiler ışığında, problem tanımında ifade edilen çatışmaları önlemek için tasarlanmış AIF modülünün çalışma prensibi, işleyişi ve sistem kurgusu karar verici algoritmaları ve fiziksel üretimi detaylı bir biçimde görseller akış diyagramları yardımıyla anlatılmıştır. Bu bölümde AIF modülünün tasarım sürecinin ve ilkelerinin akıllı bir sistem tasarımı ve adaptif mimarlık bağlamında tartışılması ve çıkarımlarda bulunulması hedeflenmiştir. Aynı zamanda simülasyon öncesi öngörüler ve beklenen sonuçlara da bu bölümde değinilmektedir.
Modülün simülasyonunun yapıldığı bölüm üç başlık altında toplanmıştır. İlk olarak yapay uyaranlar kullanılarak modülün çalışırlığı denetlenmiştir. İkinci olarak İstanbul'un ekinoks tarihlerindeki iklim verilerine göre simülasyonu yapılmıştır. Üçüncü olarak ise, modülün başarılı olduğu iklimsel verilere benzer veriler üretilmiş ve modül tekrar bir performans simülasyonuna tabi tutulmuştur.
Dördüncü bölümün sonunda tasarım, üretim ve simülasyon sonuçları göz önüne alınarak modülün kısıtları tartışılmıştır. Aynı zamanda geliştirilme potansiyelleri ve kullanım alanları da bu bölümde tartışılmıştır.
Tezin sonuç ve tartışma bölümünde, adaptif mimarlık, akıllı binalar ve cepheler ile ilişkili kavramlar tartışılmıştır. Tezin araştırma soruları ile ilgili bilgiler paylaşılmış ve bu kavramların potansiyelleri ile kullanım alanları geliştirilen akıllı sistem bağlamında ele alınarak değerlendirilmiştir. Aynı zamanda geliştirilen modülün sağladığı olanaklar ve özgün yönleri vurgulanmıştır.

Abstract:
Performance-oriented adaptive façades and intelligent control systems and decision-making mechanisms optimize the façade according to more than one parameter and manage it via advanced algorithms. However, some parameters may conflict with each other in some special cases and for various reasons. Due to these conflicts, building efficiency may decrease or occupant comfort conditions may not be provided. When the studies in the literature are examined, although there are many reasons for this, three main reasons can be mentioned for the conflict between parameters in intelligent control systems of adaptive façades.
The first of these reasons is that in buildings with more than one person, occupants demand different comfort conditions. Decentralized façade systems can be used as a solution to this problem. In this way, each façade module can be programmed according to different needs and various occupants.
The second reason is the conflict between the occupant and the façade control strategy and decision-making system. In this situation, there may be conflicts between the parameter levels desired by the occupant, the temperature parameter that requires a certain time to be brought to the desired level even if it is entered into the intelligent system, and the parameters such as instantaneously changing illumination level, light level and humidity. These conflicts cause the intelligent system design and decision-making processes of the façade to not be operated efficiently.
The third reason can be expressed as the conflict between energy efficiency and occupant comfort conditions. Façade systems may not be able to make the right and efficient decision in terms of energy efficiency and environmental performance if the occupant insists on the exact value of the temperature occupant wants. At the same time, this situation causes the front to remain active continuously and the number of movements per unit time to increase. This situation may cause the components of the façade to be exposed to material fatigue and shorten the service life and in some cases to fail the functioning of the façade.
When all these reasons are examined, this thesis, which started with the prediction that the Thinker-Predicting Control Strategy, which is adapted and based on certain hierarchical rules, may be a solution to these decision conflicts, is detailed by integrating this control strategy into the Advanced Intelligent Façade (AIF) module. Production of this module in digital and physical environment; Subjecting it to simulation and testing phases, this prediction was actually a correct determination.
Within the scope of the thesis:
• How can the hardware and software integration of the intelligent system be achieved in the design of a façade module based on the Thinking-Predicting Control Strategy using Critical Decision Algorithms and Priority Algorithm?
• What are the basic principles and methods in digital and physical design, production and simulation of the design of the AIF module, a performance-oriented adaptive and intelligent façade prototype?
Answers will be sought in the context of the developed control strategy, module and simulation results.
In this thesis, it is aimed to produce and implement the Thinking-Predicting Control Strategy based on the Critical Decision Algorithm and Priority Algorithm, which will help to resolve the conflicts expressed in the problem definition. In line with the research questions specified in the problem definition of this study, it is aimed to harmoniously design the façade, its components and an intelligent system based on performance-oriented principles. In this design process, it is determined to use algorithms that will provide optimum comfort conditions for the occupant by evaluating the indoor and outdoor conditions of the façade in the most efficient way.
The aim of this thesis is to develop and simulate the Advanced Intelligent Façade (AIF) module. The AIF module is a performance-oriented, intelligent and electromechanical prototype that responds to environmental conditions. The module has a multi-layer design controlled by advanced algorithms based on multi-criteria optimization. This module is a performance-oriented, adaptive and intelligent prototype designed to sense indoor and outdoor temperature, daylight level and humidity parameters with the help of sensors and produce the appropriate responses thanks to electromechanical systems.
Systematically adapting to various environmental conditions, the AIF module contributes to sustainability as it saves energy. The AIF module is aimed to contribute to the Architecture, Engineering and Construction (AEC) industry as an innovative product. For this purpose, digital and physical simulations have been made on the module and the design has been optimized according to the results and production has been carried out.
The developed AIF module is designed as an autonomous and auto-reactive system controlled by a decision-making system that includes algorithm hierarchy. A rule-based algorithm based on multi-criteria optimization directly controls each layer to increase the efficiency of the façade. Designed using materials that meet different needs in parallel with the developing material technology, the module consists of two layers, shutter and smart glass. These layers are designed to play an active role in ensuring interior comfort, aiming optimum conditions that would be difficult for a single layer to achieve. In this respect, the AIF module is intended to be a prototype design with optimum performance.
The AIF module is an intelligent system that activates passive systems to balance data recorded in the database with perceived environmental data. This means that the façade system is a highly reactive architectural prototype rather than an automation system.
The AIF module uses two integrated algorithms to resolve conflicts in the decision-making phase in adaptive and intelligent façades. The AIF module is internally controlled by the Priority Algorithm and the Critical Decision Algorithm. This mechanism, called decision making algorithms, helps to provide all comfort parameters by making the most appropriate decision with the help of the hardware and software in the system. Sensors are embedded in the AIF module, which measures the weather conditions to determine the condition of the layers actively or passively.
The module developed in the thesis can be evaluated as a unique approach in its field in terms of the adaptation of a predictive control strategy and the combination of Priority Algorithm and Critical Decision Algorithms in the decision-making hierarchy and adaptation to the façade. The fact that the module planned to be designed is an intelligent system that is living and perceiving and activates passive systems in the direction of balancing by taking its own data from the environment, which indicates that this façade system is an adaptive and reactive product rather than an automation.
At the same time, the algorithm has made it possible to evaluate the interaction sensor façade module, which is planned to be added to the module in order to perceive whether there is an occupant in the building with the help of sensors, as a performance oriented, reactive and interactive module.
The fact that the module is not satisfied with only the data from the sensors during the decision-making phase constitutes its unique feature compared to other modules in the literature. The use of statistical data (daily temperature, illumination values, etc.) for the module developed within the scope of the thesis to initiate the operation in critical situations is a mechanism designed to increase the efficiency of the module.
The smart glass technology used in the layers of the designed module and the use of a single façade layer in different functions and the strategic control of this layer by a decision-making algorithm to ensure comfort conditions can be described as another unique aspect of the module.
With the two-stage simulation and performance validation of the AIF module, the module provides optimum conditions for the inputs determined under certain conditions at certain intervals, increases the comfort of the interior, contributes to energy efficiency and contributes to minimizing the material fatigue by minimizing the number of movements.
With all these features, it is anticipated that the intelligent system design mechanism of the AIF module, which has been designed, produced and simulated, will be a pioneering prototype for the advanced intelligent and electromechanical façade systems that are developed.
The thesis consists of five main titles. In the introduction chapter, the definition of the problem, the purpose, method, scope and content of the thesis will be explained.
In the second chapter, today's adaptive architecture approach is evaluated with the studies in the literature. The concept of performance and performance-oriented design approach are examined with the definitions. The adaptive architecture and poetic potentials of the related concepts and the predictions about what the contributions they can make to architectural design are shared. In addition, the definition of adaptive architecture and its development in the process are discussed in the context of adaptive and adaptable buildings.
Examinations were made regarding what the adaptation was designed for. The adaptive building and its components and the relationship of adaptation elements with each other are explained and their roles in the adaptation mechanism are discussed. Design strategies in adaptive architecture, which emerged as a result of examining all these relations and examining the studies in the literature, were systematically conveyed to the reader.
In the third chapter, it is aimed to prepare the theoretical, technical and scientific background for the fourth chapter, where the module is explained via the control strategies of intelligent buildings and the decision-making systems that enable the implementation of these strategies. In this chapter, control strategies and decision-making systems and their working principles and their use in buildings are explained with case studies. Intelligent buildings and control mechanisms, one of today's innovative building approaches, are discussed in this chapter.
The concepts of green building, nearly zero energy building and zero energy building and the relationships of these designs with the concept of sustainability are explained. Intelligent façade prototypes using performance-oriented adaptive and intelligent building approaches using internal management systems have been comparatively analyzed. By explaining the advanced intelligent façade concept, the module in the fourth chapter is pointed out.
In this chapter, decentralized studies in the literature are examined and three different control strategies are explained with the help of tables within the existing conceptual frameworks. At the same time, a new synthesis has been created based on the studies in the literature on control strategies and decision-making systems. As a result of these analyzes, the functioning of Traditional Control Strategy, Conditional Control Strategy, Hierarchical Conditional Control Strategy and their advantages and disadvantages are explained comparatively.
The chapters that are described in the first three chapters and will shed light on the understanding of the theoretical background and conceptual framework of the model are explained in a practical way in the fourth chapter.
The fourth chapter describes three consecutive stages. This sequential process; the produced alternative control strategy; the AIF module, which is a two-layer electromechanical and adaptive façade module in which this strategy is applied; it systematically expresses the process of verifying the efficiency of the module by simulation.
In the fourth chapter, the original control strategy developed within the scope of the thesis is explained. As a result of these investigations, the conceptual framework of the Thinking-Predicting Control Strategy was created, since no example was found to offer a solution to the conflicts of the factors mentioned in the problem definition of the thesis. In this chapter the functioning, advantages and disadvantages of the Thinking-Predicting Control Strategy developed are evaluated.
In the design and working principal chapter of the module, the working principle, operation and system setup decision-making algorithms and physical production of the AIF module, which is designed to prevent conflicts expressed in the problem definition, are explained in detail with the help of visual flow diagrams and charts.
In this chapter, it is aimed to discuss the design process and principles of the AIF module in the context of an intelligent system design and adaptive architecture and to make inferences. At the same time, pre-simulation predictions and expected results are also mentioned in this chapter.
The chapter where the module is simulated is grouped under three headings. First, the functionality of the system was checked and the functionality of the module was checked by using artificial stimuli. Secondly, it was simulated according to the climate data of Istanbul at the equinox dates. Thirdly, data similar to the climate parameters for which the module is successful was produced. Then the module was subjected to performance simulation and validation using these data.
At the end of the fourth chapter, the limitations of the module are discussed considering the design, production and simulation results. Development potentials and areas of use are also discussed in this chapter.
In the conclusion and discussion chapter of the thesis, concepts related to adaptive architecture, intelligent buildings and façades are discussed. The compiler information regarding the research questions of the thesis was shared and the potentials and usage areas of these concepts were evaluated in the context of the developed adaptive system.