Üretken sistemler ile Voronoi desenli mimari cephe tasarımları ve yapısal davranışlarının karşılaştırılması
Designing Voronoi patterned architectural facades with generative systems and comparison of their structural behaviors
Yazar: HELİN POLAT
Danışman: DOÇ. DR. ZEYNEP YEŞİM İLERİSOY
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Matematiksel bir hesaplama tekniği olan Voronoi, doğada pek çok yerde görüldüğü biçimiyle özellikle mimari cephelerde sıklıkla kullanılmaktadır. Mimari tasarımda bilgisayarlı hesaplama yöntemlerinin kullanılması, Voronoi gibi karmaşık biçimlerin otomatik ve hızlı bir şekilde üretilmesine ve geniş bir tasarım alanının keşfedilmesine olanak sağlamaktadır. Özellikle tasarım sürecine algoritmik yöntem dahil edildiğinde maliyet azaltma, yapısal kararlılık gibi kıstasların sınırlandırılması ile sonuç ürünler istenilen performansı verecek yönde geliştirilebilmektedir. Tez çalışmasında cephe tasarımlarında Voronoi'nin kullanıldığı örnek binalar incelenmiş bu yöndeki eğilim irdelenmiştir. Mimari tasarımda yaygın kullanılan üretken sistemler tespit edilip, bunların nasıl çalıştıkları incelenmiştir. Belirlenen dört üretken sistem (l-sistemler, hücresel özdevinim, şekil gramerleri ve sürü zekâsı) ile Voronoi desen üretimini sağlayan algoritmalar oluşturularak Voronoi desenler üretilmiştir. Çok farklı çalışma prensiplerine sahip olan dört sistem, karşılaştırılabilir bir çerçeve oluşturmak ve sistemlerin birbirleri ile farklılıklarını tartışabilmek adına değişken parametreler sınırlandırılmış, sadece kuralların değişken olması sağlanmıştır. Dört üretken sistemin nesil sayısı arttıkça ve kurallar değiştikçe üretilen Voronoi desenlerine ait hücrelerin homojen dağılım düzeyi, hücre sayısı ve toplam çubuk uzunluğu gibi geometrik özelliklerindeki değişimler değerlendirilmiştir. Çalışma kapsamında yapısal elemanlara dönüştürülen bu desenler farklı yükler altında, sabit malzeme ve optimum malzeme özelliklerinin tanımlandığı üç aşamalı analizden geçirilerek yapısal performansları değerlendirilmiştir. Desen tasarım süreci Grasshopper yazılımı içerisinde gerçekleştirilmiş olup, yapısal tasarım süreci bir Grasshopper eklentisi olan Karamba ortamında gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucunda en kararlı ve en verimli deseni üreten sistem tespit edilmiştir. Bu tez ile gelecek çalışmalar için, Voronoi cepheler üretmek amacıyla farklı üretken sistemler denenerek ve optimizasyon algoritmaları da dahil edilerek bu yöndeki potansiyelinin daha fazla keşfedilebileceğine yönelik farkındalık oluşturmak istenmiştir.

Abstract:
Voronoi, a mathematical computational technique, is commonly observed in nature and frequently used in architectural facades. The use of computational methods in architectural design allows for the automatic and rapid production of complex shapes such as Voronoi, enabling the exploration of a wide design space. When algorithmic methods are incorporated into the design process, cost reduction, structural stability, and other criteria can be limited, resulting in improved performance of the final product. In the thesis, examples of buildings with Voronoi facades were examined, and the trend in this direction was discovered. The generative systems commonly used in architectural design were identified, and their working principles were examined. Algorithms were created to generate Voronoi patterns using four identified generative systems: L-systems, cellular automata, shape grammars, and swarm intelligence. Four different generative systems with very different working principles were compared within a comparable framework, with variable parameters restricted only to the rules, in order to discuss their differences. As the generation number and rules changed, changes in the geometric properties of the generated Voronoi patterns, such as the level of homogenous distribution, the number of cells, and the total rod length, were evaluated. These patterns were transformed into structural elements and evaluated for their structural performance under different loads, with a three-stage analysis defining fixed and optimal material properties. The design process for these patterns was carried out using Grasshopper software, while the structural design process was carried out in the Karamba environment, a Grasshopper plugin. The most stable and efficient system that produces the best pattern was identified as a result of the analyses. With this thesis, it is aimed to create awareness that different generative systems can be tried for producing Voronoi facades in the future, and optimization algorithms can be included to explore their potential further.