Doğadan esinli interaktif bina kabuğu tasarımı için örüntüye dayalı bir model
A model for nature inspired interactive building envelope design based on pattern
Yazar: HÜLYA ORAL
Danışman: PROF. DR. GÜLEN ÇAĞDAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilişim Ana Bilim Dalı / Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Bilgisayar destekli tasarım = Computer aided design ; Mimari etkileşim = Architectural interaction

Özet:
Mimarlıkta örüntü kullanımı, geçmişten bugüne tartışmalı olarak süregelmişse de, bilgisayar bilimi, yapay zeka ve biyoloji alanlarında, seriler ve tekrar eden biçimlerden oluşan diziler olarak örüntülerin kullanımı, bunların mimarlık alanında tekrar gözden geçirilmesine ve yeni bir bakış açısıyla ele alınmasına neden olmuştur. Alexander'ın 1977'de binanın üretimini, örüntülerin kurgulanması olarak açıklaması ile birlikte örüntünün mimariden dışlanması durumu, yerini örüntüyü mimarinin derinleşmesine katkı sağlayan bir öğe konumuna getirmesini sağladı. Bu yeni bakış açısıyla beraber örüntüler, örüntü kitaplarından kopyalanarak çoğaltılan biçimlerden ibaret olmaktan çıkarak nesnelerin ya da olayların özüyle doğrudan doğruya ilişkili algoritmalar olarak görülmeye başlanmıştır. Örüntülerle ilgili bu tartışma, yalnızca örüntü üretimi fikrinin terk edilerek örüntü tanıma (pattern recognition) fikrinin ön plana çıkarılmasıyla da yön değiştirmiştir (Castle, 2009). Bu sayede, doğada bulunan karmaşık sistemler incelenerek oluşumlarında etken olan kural dizileri ortaya çıkarılmıştır. Bu tez kapsamında, performansa ve iletişime dayalı bina kabuğu tasarımında kullanılabilecek, model kapsamında incelenen canlıların uyaranlara bağlı gösterdikleri değişimlerle analojik olarak ilişkilendirilmiş, örüntü tabanlı parametrik bir modelin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu sayede, örüntü tanımının iki boyutlu ve statik bir tanımı aşarak, üçüncü boyutu da kapsayan kinetik ve farklı yüzeylere uygulanabilecek parametrik bir zeminde tartışılması ön görülmüştür.
Bu tez, teori ve uygulama olmak üzere iki bölümden oluşmaktadır. Teorik bölüm kapsamında ve tezin tarihsel arka planını oluşturan 2. bölümünde, örüntülere dair iki zıt koldan süregelen tartışma, Modern öncesi, Modern ve dijital dönem olmak üzere, birbirini takip eden süreçler kapsamında mimari örneklerle desteklenerek incelenmiştir. Bu tezin 3. bölümünde ise, örüntü tanımının düzen ve kaos tanımlarına bağlı olarak gösterdiği değişim açıklanmıştır. Sonrasında, örüntüler, doğal ve yapay
örüntüler başlıkları altında incelenerek bahsi geçen kural dizileri biyoloji, kimya, matematik ve bilgisayar bilimlerinden faydalanılarak detaylı olarak açıklanmış ve bu diziler kullanılarak üretilebilecek bazı biyomimetik modellere ait algoritmalar ortaya konulmuştur.
Doğadaki örüntülerin incelenmesi ve tanımlanmasıyla beraber biçimsel olanın arkasındaki fonksiyonellik ve malzeme bilgisi ön plana çıkmaya başlamıştır. Bu durum, makro ölçekten mikro ölçeğe kadar örüntülerin mimaride kullanımını etkilemiştir. Bu etkilenme, yani örüntülerin mimaride kullanımı, tezin 4. bölümünde;kentsel, strüktürel ve yüzey kaplama bölümleri altında, örüntünün kullanıldığı kısım ve ilgili örüntü sınıflandırmaları gözetilerek açıklanmıştır.
Doğal örüntülerin bir bölümü olan, canlı organizmaların dış yüzeylerinde bulunan örüntüler; canlıların bulundukları ortama adapte olmalarını, çiftleşmelerini yani iletişim kurmalarını ve / ve ya avcılardan korunmalarını sağlarken mimaride bina cephesi ya da kabuğuyla ilişkilenmiştir. Canlıların dış yüzeylerindeki bu adaptasyonların anlaşılması, bina kabuğunun salt olarak iç ve dış ortamı ayırmaktan öteye geçerek dışavurum, uzlaşma ve performans aracı olarak görülmeye başlanmasını
sağlamıştır. Bu sayede, bina kabuğu bitmiş bir nesne olarak görülmeyip uyaranlara bağlı olarak dönüşebilen bir sistem olarak algılanmıştır. Günümüzün dinamik dünyasında, değişim ve dönüşüm yani adapte olabilme yeteneği oldukça önemli hale gelmiştir. Analog olarak gerçekleştirilen örüntü üretme yöntemlerinin sayısal teknolojiler yardımıyla geliştirilerek duyarlı ve interaktif bir mimari öğe olarak kullanımı bu tezin ana omurgasını oluşturmaktadır.
İncelenen çeşitli doğal ve yapay örüntü sistemlerinden, bu tez kapsamında, canlıların dış yüzeylerinde yer alan örüntü oluşumları ile dokuma örüntüleri kaynaştırılarak tezin 5. bölümünde detaylı olarak açıklanan bir model geliştirilmiştir. Model kapsamında incelenen canlılardan biri, değişen duygusal durumuna bağlı olarak deri rengini değiştiren bukalemundur. Eğer, bukalemun heyecanlı ise deri rengi daha sıcak renklere, aksi durumda ise daha soğuk renklere dönmektedir. Çok katmanlı derisi sayesinde, hem renk hem biçim anlamında deri değişimi sergileyen bir diğer canlı ise
mürekkep balığıdır. Deri katmanlarında yer alan farklı yapıdaki hücrelerden olan kromatoforlar sayesinde mürekkep balıkları, gelen ışığın rengini değiştirerek yansıtmaktadır. Yani, eğer belirli bir renkteki kromatofor şişkin ise canlının derisine gelen ışık bu renge dönüştürülerek yansıtılır. Eğer bu hücreler sönük durumda ise, gelen ışık beyaz renkli hücrelere ulaşacağından beyaz renkte yansıtılır. Bu pigment benzeri yapıdaki hücreler, birer kas gibi çalışarak canlının bulunduğu ortama adapte olmasını sağlar. Bu tez kapsamında tasarlanan model, bahsi geçen canlılara benzer şekilde, iki katmanlı bir yapıya sahiptir ve altıgen bir ızgaranın başlangıç biçimi olarak seçilmesiyle geliştirilmiştir. Bu iki katmanlı yapı, dokuma örüntülerinde olduğu gibi örülü bir yapıya sahiptir ve mürekkep balığının dış yüzeyindeki katmanlar gibi kas
sistemine benzer renksel değişimler göstermektedir. Model, çeşitli parametrik tasarım
araçları kullanılarak güneş, insan hareketleri ve çevresel değişimler gibi belirli
uyaranlara bağlı olarak değişim gösteren ve bina kabuğu, cephe elemanı ya da
enstalasyon tasarımı ölçeğinde üretilebilecek örüntü tabanlı bir modeldir. Güneşin
konumu, insan hareketleri ile değişen çevrenin örüntü karakterine bağlı olarak birçok
sonuç ürün elde edilebilmesi bakımından üretken olan model, mimari anlamda
"duyarlı interaktif mimarlık" olarak tanımlanmaktadır. Tasarlanan kinetik örüntü
uyaranlara tepki verirken, bazen kamufle olma yani çevresiyle uyumlu olma, bazense
belirginleşme ve çevresiyle iletişim kurma eğilimindedir. Tüm bu karakteristik
değişimler, bahsedilen etkenlerin farklı kombinasyonları ile zenginleşmektedir.
Tezin sonuç bölümünde, modelin potansiyelleri mimarlık ve sürdürülebilirlik
anlamında tartışılmıştır. Modelin bina kabuğu, cephe ve enstalasyon tasarımı gibi
farklı ölçeklerde ve biçimlerde uygulanabilirliği modelin mimari potansiyelleri
arasındadır. Aynı zamanda; güneşin geliş açısının, insan hareketlerinin ve değişen
çevre görüntülerinin bina kabuğu üzerindeki etkileri sonucu bina kabuğu, hem
performatif hem de iletişimsel bir ara yüz tariflemektedir. Güneşe bağlı gerçekleşen
adaptasyon, ısıl kazanç ve ışık kontrolü sağlarken insan hareketlerinin ve değişen
çevresel görüntülerin veri olarak alınması ise, bina kabuğunun hem kullanıcılarla hem
bulunduğu çevreyle dinamik bir ilişki kurmasına neden olmaktadır. Bina kabuğunun
bulunduğu yere ve zamana bağlı, birçok biçim ve renge bürünerek farklı kimlikte dış
yüzeyler tanımlaması da modelin parametrik yapısının bir sonucudur.
Modelin uygulaması bağlamında ise, PVC esaslı malzemeler ile pnömatik modüllere
entegre edilmiş LED sisteminin birleştirilmesi önerilmiştir. Bu sayede, geleceğe
yönelik araştırmalarda, malzemenin mekanik ve elektrik sistemlerle birleştirilmesi ile
yapının sürdürülebilirliği açısından sağladığı katkılar gözlemlenebilecektir.

Abstract:
The use of the pattern in the field of the architecture has been controversial so far, its
usage in computer science, biology and artificial intelligence as shapes and forms
which emerge from series and repeating sequences has caused to rethink the role of
pattern in the architecture and create a new point of view regarding its applications.
After, Alexander implies that production of building can be called the assembly of
patterns, the rejection of pattern from architecture has shifted to understand pattern as
a contributor to make architecture more profound. By means of this new perspective,
a pattern has not only been seen as a repetition of identical geometries or elements, it
has also been seen as a result of random or emergent behaviours which are defined by
rules. The shift in discussion is from the notion of pattern-making alone to pattern
recognition (Castle, 2009). This two sided discussion about patterns which includes
the pre-Modernism, Modernism and digital age is explained in historical background
(Chapter 2) of this thesis with several examples in architecture.
This thesis has two main parts which are the theory and application. As a theorical
part, the definition of the pattern is discussed in Chapter 3 which has changed in time
regarding the types of iterations which a pattern has. How the notion of the regularity
and chaos has shaped the definition of pattern. The rules behind pattern formations
have exposed to examine the complex systems in nature. In a pattern definition and
classification chapter of this thesis, the examination of patterns goes under two
headings as natural and artificial (man-made) patterns. First, it is explained that the
rules behind formations in nature with the help of biology, chemistry, mathematics and
computer sciences and exhibited some algorithms which are generated by rule sets to
produce biomimetic models. Next, man-made patterns are analysed through the
relation between material, geometry and production which are the most prominent
criteria of this kind of patterns. From regular to complex, man-made patterns have
different kind of generative methods which are discussed under heading of periodic,
aperiodic and random patterns whose classification is borrowed from mathematics.
Owing to analysing and defining natural patterns, functionality and materiality has
exposed behind the formal. This situation has affected patterns in architecture from
micro to macro scale. In the scope the thesis, patterns in architecture is explained under
the chapters of urban, structural (building) and tiling patterns considering the pattern
classifications in regards to the part of the city or building that pattern is applied to
considering the material, additional systems ad pattern formation method of the
projects. This classification has the methodology of showing the different scales and
degrees of the application regarding patterns and their relation with concept of the
projects.
Patterns on the body of animal which yield adapting to the environment, mating as a
communication or protecting himself from threats is related to building façade or
envelope, in this thesis. Understanding the adaptations of animals leads to ensuring the
building envelope to be seen as an expression, negotiation and performance entity
aside from dividing interior and exterior. Thus, building envelope is not seen a
completed element and is understood as a system which can be transformed according
to stimulus like in nature. In today's dynamic world, it is important to have the ability
of the adaptation by means of transformation. The thesis is based on the development
of the analogue pattern generation methods in the help of digital technologies and use
them to produce a responsive and interactive building envelope by using the method
of biomimicry as a application part of this thesis. While doing this, the camouflage by
means of blending with its surroundings and accentuation of the building envelope by
means of becoming apparent which are also characteristics of the animal' bodies, is
discussed through the proposed model for the thesis.
In the scope of the thesis, after analysing the natural and artificial patterns, a model is
produced integrating patterns on bodies of animals (natural) and patterns of weaving
(man-made). One of these animals which is analysed and mimicked for this thesis is
chameleon whose skin changes in colour according to its mood. If the chameleon is
excited its skin colour turned out to warm colours, in opposition to calm mood. The
other animal is cuttlefish which has sophisticated skin adaptation system both in colour
and form thanks to its multi-layer skin. The colour filters which are called
chromatophores varies in colour define the colour of skin by inflating and deflating. If
the chromatophores are inflated they colour the skin to their own colours by reflecting
light which is changed by these cells. If they are deflated, light which comes through
the skin is reflected as a white colour. These pigment-like cells work as muscles and
help the adaptation of the animal to its environment. To generate the model which is
proposed for this thesis, two layers of a hexagonal grid is chosen as an initial shape
like in the cuttlefish. This two layers are interwoven and have ability to change in
colour and shape by using pneumatic and LED systems like in the chromatophore cells.
Thus, the model is a pattern based model inspired by the mechanisms of colour and
form changing animals which can be transformed according to stimulus as the sun
orientation, the movement of people and change in the environment and produced as
a building envelope, façade or installation by using of several parametric design tools.
By means of the stimulus, several pattern formations occurs owing to this generative
model. This pattern formation which is carried to the architectural discourse called
"responsive interactive architecture". Here, responsive stands for being activated by
stimulus while interactive represents the human interaction of the model. The kinetic
pattern which is proposed for this thesis responses to the stimulus as blending with its
surroundings (camouflage) or communicating with the environment (accentuation)
like in natural adaptations of animals. All these characteristic changes in the pattern
based model are enriched by the combinations of agents which affects the character of
the building envelope which are gathered together at the end of this chapter in a table
of patterns. Inflation/deflation of system is enhanced by colour makes the model
communicative as well as performative in terms of architecture.
In the conclusion chapter of this thesis, the potentials of the model is discussed
regarding architecture and sustainability. Owing to responsive and interactive
character of the model, it can be applied in different scales like building envelope,
façade or installation and combined with different functions of the building. The sun
orientation of the model yields to sustainable architecture by providing heat gain and
light optimization. The human interaction provides dynamic relationship with the
inhabitants of the building while defining a surface of communication with its
environment. Besides, thanks to the colour adaptation of the model, it blends with its
surroundings. Combinations of these agents can create more transformations in the
pattern based model thanks to the generative algorithm.
In regards to application of the model, the integration of the pneumatic modules which
are produced with PVC based materials and LED systems is suggested for the future
applications. Thus, it can be observed that the contribution of integrating the material
with the electrical and mechanical systems to the sustainability of the building
considering the future of our world.