Hesaplamalı tasarım ve analog yapma süreçlerinin bütünleştirilmesi üzerine bir metodoloji: Örme algoritmalarıyla oluşturulmuş lifli hafif strüktürler
A methodology on integrating computational design and analog making processes: Fibrous lightweight structures formed by knitting algorithms
Yazar: AHMET KELEŞ
Danışman: DOÇ. DR. SEVİL YAZICI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Bilişim Ana Bilim Dalı / Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Artan çevresel kaygılar, bu kaygıların ana unsurlarından birisi olan inşaat sektöründe kullanılan malzemelerin ve üretim yöntemlerinin farklılaşması gerektiğini göstermektedir. Yaygın mimarlık uygulamalarında kullanılan yapı malzemeleri, bütünleşik tasarım çözümlerinin birer parçası olarak değil, tasarıma sonradan dahil olan unsurlar olarak değerlendirilmektedir. Bununla ilişkili olarak, performans koşullarına cevap veren optimal malzeme kullanımı yerine, ihtiyaç fazlası kullanımla doğal kaynakların gereğinden fazla tüketimi söz konusudur. Malzeme kullanım yönteminin malzemenin morfolojik yapısı ve davranışları doğrultusunda özelleştiği bir yaklaşım gereksinimi vardır. Lif takviyeli kompozit malzemeler ile inşa edilen hafif yapılar bu soruna potansiyel bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır. Tez araştırması mimari yapılarda lif takviyeli kompozit malzemenin kullanımının yaygınlaşması için engel oluşturan unsurlardan arındırılmış bir yöntem geliştirmeyi amaçlamaktadır.  
Engellerden birisi lif takviyeli kompozit malzemelerin üretiminde kullanılan 
kalıplardır. Çeşitli mimari form gereksinimlerinin karşılanması için kalıp kullanımı maliyeti arttıran ve malzemenin kullanım yaygınlığını kısıtlayan unsurlardan birisidir. Tez araştırması kapsamında, malzemenin kalıpsız olarak kullanımına olanak veren algoritmik modelleme ortamında geliştirilmiş ve fiziksel ortamda analog üretimi bilgilendiren bir yöntem geliştirilmiştir. Araştırma yöntemi sayısal ortamda gerçekleştirilen iki adım içermektedir. İlk adım katener eğriler mantığı ile genetik algoritmalar kullanarak form bulma, ikinci adım ise oluşan formun strüktürel analizi ile fiziksel ortamda analog üretim yöntemi için veri oluşturmadır.  
Araştırma yöntemi fiziksel ortamda yapma adımı için analog yöntemler 
kullanmaktadır. Bunun sebebi günümüzde, tasarlama ve yapma olgusunun birbirinden ayrılması ve hesaplamalı tasarımın sayısal fabrikasyonla olan ilişkisinin çeşitli nedenlerle artmış olmasıdır. Yapma işlemi tasarımcı tarafından gerçekleştirildiği taktirde tasarımı ve tasarımcıyı bilgilendiren bir unsur olarak karşımıza çıkmaktadır. Buna ek olarak analog yapma eyleminin barındırdığı riskler yeni keşiflere yol açmaktadır. 
Doğası gereği lifli kompozit malzemeler anizotropik yapıdadır. Geliştirilen üretim 
yöntemi, fiziksel ortam yapma sürecinde liflerin ihtiyaç doğrultusunda yerleştirilerek kullanılması için kural-tabanlı geleneksel örme algoritmalarından bobin dantel yöntemini kullanmaktadır. Unutulmaya yüz tutmuş geleneksel bobin dantel üretim yöntemi, farklı örüntülerde üretim yapabilme ve basit kuralların tekrarı ile çeşitli sonuç ürünler üretebilme potansiyeline sahiptir. Fiziksel ortamda bobin dantel yönteminin kullanımı için gerekli örüntü bilgisi sayısal ortamdan sağlanmaktadır.  Doğada bulunan lifli sistemler incelendiğinde mikro ölçekten makro ölçeğe kadar benzer malzemenin farklı morfolojik organizasyonlarla karma sistemler oluşturduğu gözlemlenir. Mimari ölçekte lifli kompozit malzemenin kullanımı için araştırma yöntemi farklı ölçek ve morfolojik yapılarda lifli malzemelerin bütünleştirilmesini içeren bir yaklaşım sergilemiştir.  
Araştırma yönteminin son aşamasında bobin dantel üretim yöntemi kullanılarak 
oluşturulan lifli organizasyonun farklı ölçek ve yapıda başka bir lifli organizasyon ile bütünleştirilir ve reçine emprenye edilerek kendi ağırlığı altında kalıpsız olarak şekil alması sağlanarak fiziksel üretim gerçekleştirilmiş olur. 
Tez çalışması araştırma yönteminin test edildiği bir prototip çalışmasını içermektedir. 
Bu prototip çalışmasında sayısal ortamda 10x15 metre boyutlarında bir kabuk yapısı tasarlanmış ve bu kabuk yapısının 1/10 ölçekli fiziksel üretimi gerçekleştirilmiştir. Analog üretimde karbon lifi, farklı ölçek ve yapıda kullanılan diğer lifli sistemin malzemesi olarak cam lifi kullanılmıştır. 
Tez araştırması sonucunda sayısal ortam verilerinin fiziksel ortamda analog yapma 
eylemini bilgilendirdiği, analog yapma eyleminde malzeme davranışının süreci yönlendirdiği bir iş akışı oluşturularak kalıpsız üretim gerçekleştirilebilmiştir.  Fiziksel üretim sonucunda sayısal ortamda oluşturulan form ve fiziksel form arasında bazı farklılıklar tespit edilmiş bunların sebepleri tartışılmıştır. Farklı malzeme türlerinin bir arada kullanılmasından kaynaklı davranış farklılıkları bütünleşmede problemlere yol açmıştır. Prototip çalışması sırasında kullanılan analog yöntemlerde alınan riskler ve yapılan hatalar neticesinde yöntemin geliştirilebileceği potansiyellerin varlığı tespit edilmiştir. Sonuç olarak, araştırma kapsamında geliştirilen yöntem ile sayısal ortamda gerçekleştirilen form bulma ve kural-tabanlı örme algoritmaları kullanarak üretilen fiziksel formun lif takviyeli kompozit malzeme kullanımını yaygınlaştırabileceği ve bu sayede hafif yapıların üretiminde kullanılabileceği gözlemlenmiştir.

Abstract:
Increasing environmental concerns indicate that the materials and production methods 
used in the construction sector, which is one of the main elements of these concerns, 
should be differentiated. Building materials used in conventional architectural practice 
are not considered as part of integrated design solutions, but as an afterthought to the 
design. Related to this, there is not an optimal use of materials that responds to 
performance conditions, but an excessive consumption of natural resources through 
redundant use. Therefore, there is an excessive consumption of natural resources 
through the use of surplus materials. There is a need for an approach where the method 
of material use is specialized in line with the morphological structure and behaviour 
of the material. Lightweight structures constructed with fibre reinforced composite 
materials have emerged as a potential solution to this problem. The thesis aims to 
develop a methodology that aims to eliminate obstacles to the widespread use of fibre-
reinforced composite materials in buildings. 
One of the obstacles is that moulds used in the production of fibre-reinforced 
composite materials. The use of moulds to meet various architectural form 
requirements is one of the factors that increase the cost and limit the widespread use 
of the material. Within the scope of the thesis research, a method has been developed 
in an algorithmic modelling environment that allows the use of the material without 
moulds and informs analogue production in the physical environment.  
The research methodology consists of finding a form in a digital environment, then 
determining the pattern required for physical production by structural analysis of the 
form, determining the knitting production method suitable for the knitting pattern and 
finally a prototype production in which the methodology is tested. 
The research method includes two steps realized in a digital environment. The first 
step is form finding using genetic algorithms with catenary curves logic, and the 
second step is to generate data for the analogue production method in the physical 
environment by structural analysis of the informed geometry. 
The form finding phase was carried out with the physics engine provided by the 
Kangaroo plug-in in the Grasshopper algorithmic modelling environment. The created 
form was simultaneously subjected to structural analysis using Karamba3D plugin. 
The forms resulting from the parametric values given to the system by the researcher 
were analysed. The support positions were determined as variable values, and the 
minimum Max. Displacement value under force effect was determined as a fitness 
value. Variable and fitness value initiated an optimisation process in which genetic algorithms were involved in the process through the Galapagos plug-in. The final form 
was obtained in this way. 
Some of the methods used in the production of fibre-reinforced composite materials 
use high-tech digital fabrication devices. Difficult access to these devices is one of the 
factors preventing the widespread use of materials. The research methodology uses 
analogue methods for the making step in the physical environment. This is mainly 
because designing and making processes are separated nowadays. If the making is 
performed by the designer, it is an element that informs the design and the designer. 
In addition, the risks inherent in the analogue act of making lead to new discoveries. 
By nature, fibrous composite materials are anisotropic. The developed production 
method uses the bobbin lace method, one of the rule-based traditional knitting 
algorithms, to place and use the fibres according to the needs in the physical 
environment making process. The traditional bobbin lace production method, which is 
almost forgotten, has the potential to produce different patterns and to produce various 
end products by repeating simple rules. The pattern information required for the use 
of bobbin lace method in the physical environment is provided from the digital 
environment. 
When fibrous systems found in nature are examined, it is observed that similar 
materials form structural systems with different morphological organizations from 
micro scale to macro scale. For the use of fibrous composite materials in architecture, 
the research methodology has demonstrated an approach that includes the integration 
of fibrous materials in different scales and morphological structures. 
In the last stage of the research methodology, the fibrous organization created using 
the bobbin lace production method is integrated with another fibrous organization 
consisting of different materials and different morphological structure. This system is 
impregnated with resin and shaped under its own weight without moulds and physical 
production is realized.  
In this process, the interaction of materials with each other is becoming important. The 
integration of two morphologically and material-type different systems can be 
challenging as they exhibit different behaviors. In order to fully achieve fiber-fiber 
interaction, the designer may need to be involved in the process with analogue methods 
during the physical production phase and change the flow of the process according to 
the material behavior. Thus, the act of designing and making appear as elements that 
feed each other. 
In addition to these, the thesis work includes prototype production. In this case study, 
a 10x15 meter sized shell structure was designed in a digital environment and a 1/10 
scale physical production of this shell structure was realized. Carbon fibre was used in 
analogue production and glass fibre was used as the material of the other fibrous 
system used for structural integration in different scale. In prototype production, a shell 
form was created by providing fibre organization with the bobbin lace method, one of 
the traditional craft methods. The form finding process is performed by using the 
physics-based simulation engine at algorithmic modelling environment. The algorithm 
allows to implement the use of catenary curves in numerical environment. The 
generated form was undertaken by structural analysis simultaneously with the Finite 
Element Method based platform. The conformity values that emerged as a result of the 
structural analysis used as data for the use of the genetic algorithm for the optimization 
process. Multiple generations are performed and the one that is closest to the fitness 
value is selected. In the next stage, the pattern to be used in physical production is determined by structural analysis of the optimal form. This pattern is transferred to the physical environment and the physical production process is realized with the bobbin lace method by using rule-based knitting algorithms. 
A prototype was generated to test the methodology. The form driven by the pattern 
was combined with another material, which obtained a different fibre organization and morphological qualities, toward production in architectural scale. The resin impregnated system was dried by hanging from the support points determined in the digital environment and the final product was formed under its own weight. 
As a result of the thesis research, mouldless production could be realized by creating 
a workflow. As a result of physical production, some differences were detected between the form created in the digital environment and the physical form, and the reasons for these differences were discussed. Behavioural differences due to the use of different material types together caused problems in integration. As a result of the risks taken and mistakes made in the analogue methods used during the case study, it was determined that there are potentials where the method can be improved.  
In the thesis research, a methodology was developed in which the data obtained by 
using computational methods in a numerical environment informs the physical making phase and the experience gained by analogue making can improve the numerical method. This methodology was tested with a prototype production and a light-weight structure made of fibre reinforced composite material was obtained. As a result of the analyses and observations, potentials for future research were discovered.