Bina işlevi ile bina biçimi ilişkisinde çizge teorisi kullanımı ile veri eldesi
Obtaining data by using graph theory within the context of building function and building form
Yazar: MEHMET TAYFUN YILDIRIM
Danışman: PROF. DR. METE ÜNÜGÜR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2003
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Bu çalışmada problem alam olarak; bina biçimine karar verme süreci ele alınmaktadır. Mimari tasarlama sürecinde kesinleşmiş biçimin oluşumuna girdi sağlayan birçok veri alam bulunmaktadır. Bu alanlar genel başlıklar olarak, "îşlev", "Teknoloji", "Biçim", "Ekonomi" ve "Çevre Bağlamı" olarak gruplanabilir. Bu veriler içinde "Bina İşlevi" ile "Bina Biçimi" ilişkisi, mimari tasarlamanın temel sorunlarından biridir. Bu bağlamda, bina işlevsel organizasyonu - bina biçimi ilişkisinde veri eldesi amaçlanmaktadır. Yöntem olarak; bina programlama ve bina çözümleme teknikleri tasarımda kullanılmıştır. Bina işlevsel sistemi bir şebeke olarak ele alınmıştır. Çizgeler ile tanımlanan bu yapı çizge (graph) çözümleme teknikleri ile analiz edilmektedir. Buna ek olarak; tümdengelimci "Mekan Dizgesi" çözümleme yöntemi kullamlmaktadır. Bu çözümlemeler ile elde edilen sayısal değerler; bina biçimine ilişkin veriler sağlamaktadır. Elde edilen bu sayısal veriler bina ön biçimi olan "İşlevsel Embriyo" eldesinde kullamlmışto. Önerilen yöntemin veri alanlarının tanımlanması için, mimari tasarlama süreç olarak ele alınmıştır. Tasarlamanın ön aşamaları, planlama ve bina programlamadır. Tasarlama sonrası etaplar ise, bina üretimi, bina kullanım dönemi değerlendirme ve mimari çözümlemelerdir. Bu etapların birbirleri ile karşılıklı veri ilişkisi bulunmaktadır. Süreçler arası veri akışının tanımlanabilmesi için bu süreçlerin açıklanması gerekli olmaktadır. Bu nedenle tez altı bölümden oluşmaktadır : * Giriş; * Planlama, Bina Programlama ve Tasarlama Süreci, * Mimarlıkta Biçim Kavramı ve Çözümleyici Teknikler, Mimari Tasarım ve Çözümlemede * Matematiksel Yaklaşımlar. *Çizge Teorisi ve Bina Programlama Tekniklerinin Kullanımı ile Mimari Tasarımda Veri Elde Etme Amaçlı Model Önerisi * Önerilen Modelin Bir Kültür Merkezinde Uygulanması, * Sonuçlar ve Değerlendirme. Birinci bölümde mimari tasarlama entegre süreç olarak açıklanmaktadır. Tasarlamaya entegre diğer süreçlerden veri akışı- tasarlama eylemi ilişkisi, problem alam olarak tespit edilmektedir.İkinci bölümde, planlama, bina programlama ve mimari tasarlama ele alınmaktadır. Bina programlama, kullanıcı gereksinmeleri, işveren, tasarımcı ve inşa edici ile ilgili bilgi işleme sistemidir. Bu nedenle bina programlama ile tasarlamanın entegre olarak ele alınması gerekmektedir. Tasarlama süreci ise : 1 -Zihinsel etkinlik olarak tasarlama süreci ve yaratıcı teknikler, 2-Tasarlama stratejileri yaklaşımları, 3-Tasarlama strüktürleri yaklaşımları, 4-Tasarlama organizasyonları olarak dört başlık altmda ele alınmaktadır. Zihinsel etkinlik olarak tasarım, tasarımcının öğrenme, algılama ve yorumlamasından oluşmaktadır. Tasarlamada strateji kavramı ise; tasarlamada ana yaklaşım, metot, paradigma olarak açıklanabilir. Bunlar, tümevarımcı ve tümdengelimci stratejilerdir. Tasarlama strüktürü kavramı, yapısal ve mekansal bina alt sistemlerinin bireşim ilkesidir. Tasarlamada organik ve geometrik strüktürler görülmektedir. Tasarlama organizasyonları da bireysel ve katılımcı organizasyonlar olarak ikiye ayrılmaktadır. Diğer yandan, organizasyonlarda bilgisayar teleolojilerinin kullanılması organizasyon yapılarında değişikliklere neden olmaktadır. Çalışmanın üçüncü bölümünde, mimari biçimlendirme sorunu ele alınmaktadır. Mimarlıkta biçimle ilgili bilimsel taban, estetik, morfoloji ve geometridir. Mimari biçimin ve mekansal organizasyonun çözümlenmesinde matematiksel araçlar kullamlmaktadır. Venn diyagramları, Çizgeler ve Matrisler bu araçlara örnek olarak verilebilir. Mekan sentaksı çözümleme yönteminde, mevcut binaların mekansal organizasyonları çizgeler ile ifade edilmekte ve hesaplanmaktadır. Bu yöntemde her mekanın diğer mekanlarla entegrasyon değeri sayısal olarak ifade edilebilmektedir. Çalışmanın dördüncü bölümünde, mimari tasarımda veri elde etme modeli önerilmektedir. Modelde, bina programlama teknikleri, Çizge Çözümleme indeksleri ve "Mekan Dizgesi Çözümleme Yöntemi" entegre olarak kullamlmaktadır. Model 4 alt kısımdan oluşmaktadır : 1- Program analizi alt modeli, 2- Bina alt bölümleri biçimlendirme alt modeü, 3- İşlevsel embriyo biçimlendirme alt modeli, 4- Embriyo geliştirme alt modeli. Program analizi alt modelinde tasarım konusu binanın yönetsel ve işlevsel sistemi tammlanmaktadır. Bina kapasitesi, esneklik, büyüyebilirlik, mekan listeleri, mekan ilişkileri ve sirkülasyon frekansları temel veriler olmaktadır. İkinci aşamada alt bölüm mekan ilişkileri çizgeler ile ifadelendirilmektedir. Alt bölümlerine ait mekan birimlerinin alan-hacim gereksinmeleri saptanmaktadır. Bu aşamayı olası alt bölüm biçimlerinin araştırılması izlemektedir.Üçüncü aşama olan bina işlevsel embriyo biçimlendirme alt modelinde, bina alt bölümlerinin birbirleri ile olan komşuluk ilişkileri çizge şebekesi ile ifade edilmektedir. Bu çizge şebeke yapısının çözümlenmesi ile şu sayısal değerlere ulaşılmaktadır : -König Değerleri, -Beta İndeksi, -Gamma İndeksi, -Döngüsel Sayısı, -Çizgenin Çapı, -Alt Yedek Şebeke İndeksi -Her Düğümün Ortalama Derinliği, -Her Düğümün Entegrasyon Değeri Konig sayılan her düğümden diğer düğümlere olan yol mesafesidir. Mekan organizasyonunda en düşük Konig değeri olan birim, sisteme en entegre bölümdür. "Beta indeksi" bina biçiminin; lineer, döngüsel veya kompozit formlardan hangisine uygun olduğunu tanımlamaktadır. "Gamma indeksi", sistem elemanlarının bağlantılılık değeridir. Bu mekansal organizasyonun kompakt veya parçalı - organik kompozisyonu ile ilişkilidir. "Çizgenin Çapı", bina alt bölümlerinin hacimsel toplamına bağlı olarak bina büyüklüğüne ilişkin veri oluşturmaktadır. Her mekanın "ortalama derinlik" ve "entegrasyon değeri" mekan dizinsel çözümleme değerleridir. Bu değerler ile her alt bölümün diğerleri ile olan ilişkileri ve işlevsel sistemdeki entegrasyon değeri sayısal ve hiyerarşik olarak bulunmaktadır. Önerilen modelde, bu sayısal derecelenme, bina bölümlerinin tasarım alanında eklemlenme dizgesini vermektedir. Her alt bölümün tasarım alanına yerleştirilmesinde "mekan - çevre ilişki matrisi" kullamlmaktâdrr. Diğer alt bölümler entegrasyon değerlerine göre önceki bölüme eklemlenmektedir. Beşinci bölümde, önerilen biçimlendirme modeli bir kültür merkezi örneğinde uygulanmıştır. Önerilen "İşlevsel Embriyo" biçimlendirme yönteminin sonuçlan şöyledir : Model; ana "Girdiler" olarak; bina işlevsel verilerini ele almaktadır. Modelin "Çıktı"lan ise; üç başlık altında toplanmaktadır. Bunlar : -Bina formuna ilişkin veriler sağlayan "Sayısal İndeks"ler, -Bina alt bölümlerinin bütünsel işlev organizasyonu içindeki entegrasyon değeri, -İşlevsel organizasyona bağlı olarak oluşturulan "İşlevsel Embriyo" olmaktadır. Yöntem; tümevanmcı stratejide, geometrik strüktürdedir.; Kanonik, pragmatik biçimlendirme yaklaşımlan için uygun bir model niteliğindedir. Bu çıktılar; bina biçimine ilişkin sayısal veriler üretmesine rağmen; kesinleşmiş sonuç biçim oluşumunda yeterli olmamaktadır. Bu nedenle; işlevsel embriyonun diğer tasarım verilerinin katılımı ile geliştirilmesi gerekli olmaktadır. Ancak; önerilen model, işlev - biçim arayüzünde veri üretmektedir. Bu nedenle, her biçimlendirme yaklaşımı için bir ön çalışma olarak kullanılabilir olduğu görülmektedir.

Abstract:
The main problem area in this study is the decision process for the building form. There are many fields of data which provide information to finalize the form of the building. These fields can be grouped under general titles such as; "Function", "Technology", "Form", "Economy" and "Environment Context". The relationship between the building function and the building form is the main problem of the architectural design. Accordingly, the main objective of this study is to obtain data within the relationship of building functional organization and building form. Building programming and building analysis methods are used in the design. Building functional system is considered as a network. This network is defined by graphs and analysed by graph analysis techniques. In addition to this, the deductive "Space Syntax" analysis method is used. The numerical values that are obtained by these analysis techniques provide data about the form of the building. These numerical values are also used to obtain the preliminary shape of the building called the "Functional Embrio". Architectural design is considered as a process to define the data fields of the suggested method. Pre-stages of design are planing and building programming. Post- stages of the design are building production, post occupancy evaluation and architectural analysis. There is interaction of data between these stages. It is necessary to explain these stages to define the transfer of data. For that reason, the thesis consists of 6 chapters :. Introduction,. Planning, Building Programrning and Design Process,. Concept of Form in Architecture and Analysis Techniques, Mathematical Approaches in Architectural Design and Analysis,. The Model Approach for obtaining Architectural Design Data by using Graph Theory and Building Programming Techniques,. Application of the Proposed Model in Cultural Centre Design. Conclusions. In the first chapter, the design process is explained as an integrated process. The relationship of data transfer between other stages and design activity are stated as a problem area. Planning, building programming and architectural design concepts are studied in the second chapter. Building programming is the information process system about the user needs, client, designer and constructor. Thus, it is necessary to consider building programming and design as an integrated stage. The design process is studied under four subtitles. These are : 1- Design as a Mental Activity and Creative Technique, 2- Approaches to Design Strategies, 3- Approaches to Design Structures, 4- Design Organisations. Desing as a mental activity consists of learning, perception and interpretation of the designer. Design strategy can be described as the main approach to design, paradigm and preferred method. These strategies in architectural design are both inductive and deductive. The design structure is a synthesis or analysis principle for building subsystems such as structural and spatial building subparts. "Organic" and " Geometric" structures are commonly observed in the design process. Design organisations are divided into two parts as single designer and multiple- participant organisations. On the other hand, the use of computer technologies in design organisations affects changes in organisational structures. The Architectural form problem is examined in the third chapter of this study. Scientific fundamentals of the architectural form are Aesthetics, Morphology and Geometry. Mathematical tools are used in order to analyse the architectural form and spatial organisations. Venn diagrams, Graph Theory and matrices are samples of these tools. Spatial organisations of existing buildings are represented and calculated by Graphs in the "Space Syntax Analysis Method". In the above mentioned method, the integration value of each space in the building can be defined numerically. In the fourth chapter; a model for obtaining data in architectural design is recommended. Building programming techniques, Graph analysis indices and "Space Syntax Analysis Method" are integrated in that model. The method has four sub stages : 1 - Sub-Model of Building Program Analysis, 2- Sub-Model of Forming Building Divisions, 3 - Sub-Model of obtaining Functional Embryo, 4- Sub-Model of Progressing Embryo. In the first stage, the management and functional systems of the building are defined by using programming techniques. Building capacity, flexibility, extendibility, space lists, space relations and circulation frequencies are the basic data in that stage.In the second stage, spaces that belong to the subdivisions are represented by graphs. Area, space needs and capacities of these spaces are also defined in that step. Researching possible forms of building parts follows that step. Adjacency relation of building subdivisions are represented by the graph network in the third step called the Sub-model of obtaining functional embryo. Analysing the structure of the graph network results in the following numerical values : -Konig Values, -Beta Index -Gamma Index, -Cyclomatic Number, -Network Diameter, -Redundancy Index, -Mean Depth of Each Vertex, -Integration Value of Each Vertex. Konig numbers are route distances from each vertex to others. The vertex with the smallest Konig value is the most integrated part of the system. The value of the "Beta Index" defines the total shape of the building such as linear, courtyard, or complex forms. "Gamma Index" is the connectivity value of the system components. This value is related to the composition of the building such as compact or partial-organic shape. Graph diameter supplies data about the building size that is related to the spatial addition of the building subdivisions. Mean depth and integration values are space syntactic analysis values. Each building subdivision's relation to others and it's integration value to the system can be calculated numerically and hierarchically. This numerical value yields the articulation syntax of each building part within the design area. The "Space - environment relationship matrix" is used for placing the building part in the design area. Each subdivision of the building is hierarchically articulated to the previous one according to its integration value. The proposed design model is used in the case study of the cultural centre example in the fifth chapter. The followings are the conclusions of the proposed "Obtaining Functional Embryo" model : Building Functional data are considered as inputs. Outputs of the model are categorized under three titles: - "Numerical Indices" to obtain data about the building form, - Integration value of the each building subdivision in the total functional organization, - "Functional Embryo" that is obtained according to the functional organization. The method possesses an inductive strategy and a geometric structure. The method is suitable for canonic and pragmatic design approaches. These outputs are insufficient to obtain the exact final form of the building in spite of having numerical values defining the building form. Because of that, it isnecessary to process the functional embryo by using other inputs of the design problem. However, the proposed model produces data at the interface of the function and form. Therefore, it can be used as a pre-study for every forming approach.