Tarihi ahşap yapıların onarımı için kural tabanlı yaklaşım: Göğceli Cami örneği
Rule based approach for historical timber structure: case of Göğceli Mosque
Yazar: MEHMET SALİH ÖZALP
Danışman: PROF. DR. MİNE ÖZKAR KABAKÇIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Bilişim Ana Bilim Dalı / Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Bu çalışmada, tarihi ahşap yapı elemanlarının hasarlı kısımlarının onarımında kullanılmak üzere, geleneksel ahşap birleşim detaylarının bilgisini temel alan kural tabanlı gramer yöntemi geliştirilmiştir. Tespit edilen tarihi ahşap elemanların özgün birleşim detaylarında gömülü olan biçim bilgisi bu kuralların temelini oluşturmuştur. Hesaplamalı tasarım yaklaşımıyla ahşap birleşim detaylarına göre geri beslenerek olası çıktıları oluşturan kural tabanlı yöntem uygulanmıştır. Bu bağlamda geliştirilen türetken sistemle, ahşap elemanlarda hasarlı kısımlarının onarımına yönelik olası biçimsel çıktılar dijital ortamda oluşturulmuştur. Bu sürece bağlı oluşturulan iş akış modelinde, somut ve somut olmayan mirasın belgelenmesi sağlanmıştır. Dijital ortamda elde edilen biçimsel çıktıların değerlendirilmesi, onarım süreçlerinde disiplinlerarası kolektif çalışma ortamı sunulmuştur. Bunun sonucunda alışagelmiş onarımın aksine erişilebilir, sürdürülebilir, esnek ve kontrol edilebilir çalışma ortamı sağlanmıştır. 
Tarihi ahşap yapıların alışılagelmiş onarım uygulamalarında, ahşap elemanlar tamamen yenileri ile değiştirilmektedir. Mimari miras bağlamında yapısal bütünlüğün korunması için elemanlara kısmi müdahaleyi mümkün kılmak önemlidir. Bu tezde vaka olarak ele alınan Göğceli Camisi'nde kullanılan ahşap birleşim detayları gelenekseldir. Yapıda kullanılan ahşap birleşim detayları kullanım yerine göre biçimsel olarak özelleşmiştir. Bu tezde farklı kullanım yerlerine göre çeşitli biçimlerdeki ahşap birleşim detayları şekillerin uzamsal hareketleri ve geometrik düzenleri üzerinden incelenerek kuralları oluşturulmuştur. Bu kuralların örnek çalışması, incelenen yapının bozulmaya uğrayan saçak bölümüne yönelik yapılmıştır. Yapının müdahale gerektiren alanlarının belirlenmesi için tahribatsız analiz yöntemleri kullanılmıştır. Bu yöntemlerden biri dijital ortamda mekansal veri üretimi için fotogrametri çalışmaları olmuştur. Diğeri hasarlı bölümün müdahale sınırlarının tespiti için topolojik optimizasyon çalışması olmuştur. Dijital ortamda hesaplamalı tasarım teknikleri ile onarım çalışmalarını destekleyecek olası çıktılar elde edilmiştir. Potansiyel çıktıların farklı disiplinlerin bakış açısıyla değerlendirilmesinin ardından seçilen bir çıktı dijital ortamda hasarlı bölüm için tamamlayıcı parça olarak üretilmiştir. Literatürde yer alan çalışmaların anahtar kelimeleri üzerinden yapılan analizlere göre, dijital ortamda gerçekleştirilen üretimler çoğunlukla belgeleme ve tahribatsız analiz çalışmaları olarak nitelendirilmiştir. Hesaplamalı tasarım bağlamında  geliştirilen kural tabanlı onarım yönteminde, usta bilgisinin korunduğu türetken bir sistemin saha çalışmalarını destekleyeceği öngörülmüştür. Erişilen kaynaklardan, geleneksel ahşap birleşim detaylarına yönelik teorik bilgi edinilmiştir. Yapılan saha çalışmalarında uygulamaya yönelik geometrik bilgi tespit edilmiştir. Bu bilgiler ışığında dijital ortamda geliştirilen kural tabanlı yöntemde çeşitli biçimlerin kuralları ve tasarım süreci belirlenmiştir. Bu bağlamda dijital ortamda geliştirilen çalışmalar olmuştur; onarım sürecinde insan kaynaklı hataları azaltma, zamandan kazanç sağlama, olası çıktılar oluşturma ve disiplinler arası erişilebilir çalışma ortamı sunulabileceği göstermiştir. ICOMOS bünyesinde yayımlanan Venedik Tüzüğü (1964) ve Nara Özgünlük Belgesi (1994) dokümanlarına göre, restorasyonda mimari mirasın özgünlüğü ve yapı bütününde yer alan geleneksel bilginin korunması önem teşkil etmektedir. Özellikle ICOMOS (2013) belgesinde yer alan "koruma değerleri" bu bağlamda incelenmiştir.  Koruma süreçlerinde geleneksel yapı uygulamalarının yetersiz olduğu durumlarda çağdaş teknoloji bağlamında ele almak mümkün gözükmektedir.  Bu tezde somut olmayan değerler arasında sayılabilen geleneksel ahşap birleşim detayı bilgisi, dijital ortamda şekiller üzerinden incelenerek biçimsel kararların kural tabanlı grameri oluşturulmuştur.Tezde, mimari miras niteliğindeki yapı elemanlarının onarımında dijital ortamda hesaplamalı yöntemlerin kullanılması iki ana nedene dayandırılmıştır. Bunlardan ilki, geçmişte var olan usta yapım bilgisi halihazır ahşap birleşim detaylarına göre dijital ortamda biçimsel kurallara bağlı geometriler üzerinden okuyarak işlenebilir verilere dönüştürülmüştür. İkincisi, koruma değerleri bağlamında onarımın görüleceği ahşap elemanın kısmi müdahale görebilmesi için yapıda var olan teknik ve teknolojik değere hesaplamalı tasarım  yaklaşımı sunulmuştur. Bu iki yaklaşımın ara yüzünde türetken sistem, iş akışı, optimizasyon ve dijital belgeleme (mekansal veri üretimi) süreçleri dahil olmuştur. 
Bilgisayar destekli tasarım (CAD) yaklaşımıyla çalışmanın her aşamasında dijital üretim araçlarına yer verilmiştir. Kullanılan dijital araçlardan 3DF Zephyr programı, dron görüntülerinden mekansal veri üretimi sağlamıştır. Rhinoceros programının kullanılması ile mekansal verinin işlenebilir yüzeysel modele dönüştürülmesi, Grasshopper uzantısında yer alan Millipede eklentisi kullanılarak topolojik optimizasyon işlemleri yapılmıştır. Bu işlemde, müdahale sınırları belirlenerek kısmi müdahalenin olabilmesi sağlanmıştır.  Kullanılan bir diğer SortalGI eklentisi ile kuralların oluşturulması ve elde edilen kural dizininde tanımlanan yerelde yaygın kullanımı olan ahşap birleşim detaylarının grameri oluşturulmuştur. Bu yolla geliştirilen kural tabanlı gramer yaklaşımı ile onarımın görüleceği ahşap elemanın kısmen bozulmuş alanlarında hesaplamalı tasarım teknikleri kullanılmıştır. Olası çıktıların oluşmasını sağlayn bu teknikler,  türetken sistemin  ara yüzünü belirlemiştir. Geleneksel  birleşim detaylarının özgün biçimsel kuralları dijital yöntemlerle ele alınmıştır. Tezde incelenen Samsun'un Çarşamba ilçesinde bulunan Göğceli Cami 1206 yılında ahşap yığma olarak inşa edilmiştir. Çatı örtüsünü taşıyan dikmeler ve kirişler geçme detayları ile birbirleriyle kenetlenecek şekilde ahşap birleşim detaylarına göre inşa edilmiştir. Yapıda yer alan  özgün ahşap birleşim detayları farklı konum ve düzenlerine göre çeşitli biçimlerde şekillendirilmiştir. Bu detayların geometrik düzenleri incelenerek dijital ortamda hesaplamalı tasarım yöntemi ile kural tabanlı gramer yaklaşımının sunulabilmesi sağlanmıştır. Halihazırda yapının saçak bölümünde orta aşık ve mertek elemanlarında bozulmalar tespit edilmiştir. Ahşap elemanların bozulan bölümlerine kısmi müdahale ile onarılmasına yönelik dijital ortamda hesaplamalı tasarım yöntemi sunulmuştur. Bu yöntemin ara yüzünde türetken bir sistemin geliştirilmesi ile olası çıktıların değerlendirildiği disiplinlerarası çalışma ortamı sunulmuştur. Bu yol ile geliştirilen yöntem ve olası çıktılar dijital ortamda geliştirilmiştir. Geliştirilen önerilerin saha çalışmalarında da kullanabileceği öngörülmüştür.

Abstract:
In this study, a rule-based grammar method founded on traditional production methodologies has been developed for use in repairing damaged parts of historic  structural elements. The formal information embedded within the joint details of the identified historic timber elements has formed the basis of these rules. The rule-based method has been considered within the context of computational design (CD) because it generates potential outputs by feedback based on the timber joint details. In this context, the developed generative system has created possible formal outputs for the repair of damaged parts in timber elements in a digital environment. The workflow model created in relation to this process has documented both tangible and intangible heritage. The evaluation of formal outputs obtained in the digital environment has provided an interdisciplinary collective working environment in repair processes. As a result, unlike conventional repair methods, an accessible, sustainable, flexible, and controllable working environment has been established.

In conventional repair practices for historic timber structures, timber elements are often completely replaced with new ones. However, in the context of architectural heritage, it is crucial to enable partial interventions to preserve the structural integrity of the elements. In this regard, Göğceli Mosque, constructed in 1206 using the timber stack technique, has been selected as the case study structure. The timber joint details used in this structure were designed with traditional production knowledge and were specifically tailored to their application areas. In this thesis, timber joint details varying in form according to their different application areas have been analyzed through their spatial movements and geometric arrangements to establish rules. An exemplary application of these rules has been conducted for the deteriorating eaves section of the studied structure. Non-destructive analysis methods were employed to identify areas of the structure that required intervention. Among these methods were photogrammetry for the production of spatial data in a digital environment and topological optimization to determine the boundaries of intervention for the damaged section. Computational design techniques in a digital environment have produced potential outputs to support the repair work. Within an interdisciplinary work environment, after evaluating the potential outputs, a selected output was digitally fabricated as a complementary piece for the damaged section.

Studies related to historic structures in digital environments have been reviewed. According to analyses based on the keywords found in the literature, productions conducted in digital settings are predominantly characterized as documentation and non-destructive analysis work. It has been anticipated that a generative system preserving expert knowledge, developed within the context of computational design, would support fieldwork in rule-based repair methods. From the accessed resources, theoretical knowledge concerning traditional timber joint details has been acquired. Geometric information pertinent to application was identified in the field studies conducted. Based on this information, various forms' rules and the design process in the digitally developed rule-based method have been determined. In this context, studies developed in a digital environment have demonstrated the reduction of human errors during the repair process, time-saving benefits, the creation of possible outputs, and the provision of an accessible interdisciplinary work environment. According to documents published by ICOMOS, such as the Venice Charter (1964) and the Nara Document on Authenticity (1994), preserving the authenticity of architectural heritage and the traditional knowledge embedded within the structure as a whole is crucial. Particularly, the "conservation values" mentioned in the ICOMOS (2013) document have been examined in this context. In situations where traditional building practices are inadequate in conservation processes, considering contemporary technology appears feasible. In this thesis, the knowledge of traditional timber joint details, which can be considered among intangible values, has been analyzed through forms in a digital environment, thereby creating the rule-based grammar of formal decisions.

In the thesis, the use of computational methods in digital environments for the repair of architectural heritage elements is based on two main reasons. The first is the transformation of expert construction knowledge from the past into processable data by reading and interpreting geometries based on existing timber joint details in digital environments according to formal rules. The second reason involves offering a computational design approach that values the technical and technological merit present in the structure, allowing partial interventions on the timber elements to be repaired within the context of conservation values. At the interface between these two approaches, the generative system has included processes such as workflow, optimization, and digital documentation (production of spatial data).

In the study, digital production tools have been incorporated at every stage through the use of the computer-aided design (CAD) approach. Among the digital tools utilized was the 3DF Zephyr program, which has enabled the production of spatial data from drone imagery. The conversion of spatial data into a processable surface model was facilitated using the Rhinoceros program, while topological optimization operations were conducted using the Millipede plugin found within the Grasshopper extension. This process determined the boundaries of intervention, enabling partial interventions. Another plugin used, SortalGI, facilitated the creation of rules and constructed the grammar for local traditional timber joint details as defined in the rule index. Through this rule-based grammar approach, computational design techniques were employed to address the partially deteriorated areas of the timber element targeted for repair. These techniques not only enabled the formation of potential outputs but also defined the interface of the productivity system. The traditional joint details' original formal rules were addressed using digital methods.
The case study structure examined in the thesis is the Göğceli Mosque, located in the Çarşamba district of Samsun. Constructed in 1206, the building's walls were made using the timber stacking method. The posts and beams supporting the roof sheathing were constructed according to timber joint details, designed to interlock with passing details. The original timber joint details within the structure were shaped in various forms according to their different positions and arrangements. The geometric arrangements of these details were analyzed to enable the presentation of a rule-based grammar approach with computational design methods in a digital environment. Currently, deteriorations have been detected in the fascia section's ridge and rafter elements. A computational design method for partial intervention to repair the deteriorated sections of timber elements has been presented in a digital environment. An interdisciplinary work environment, where potential outputs are evaluated, has been provided at the interface of this method with the development of a generative system.The methodology and potential outputs, refined through this process, are anticipated to be applicable in field studies as well.