Tepki veren cephelerin standart ürünlerle tasarımı: Yeniden tasarım modeli
Designing adaptive facades with standard products: Redesign model
Yazar: BAHAR BAŞARIR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET CEM ALTUN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Bina cephesi = Building facade

Özet:
Değişen performans gereksinimlerine ve sınır koşullara adapte olarak yapıların bütüncül performansını ve kullanıcı konforunu arttıran tepki veren cepheler, cephe teknolojisinin gelişiminde önemli bir adım olarak kabul edilmekte, inşaat sektöründeki araştırmacı ve profesyonellerden ilgi görmektedir. İklime tepki veren yapı kabukları veri tabanına göre, günümüzde beş yüzün üzerinde tepki veren yapı kabuğu örneği bulunmaktadır. Ancak, bu örnekler temel olarak "deneysel, küçük ölçekli" veya "kamuoyunda iyi tanınan, yüksek bütçeli" projelerdir. Yüksek çevresel performans potansiyeli ve geniş teknoloji seçeneklerine rağmen, tepki veren cephelerin pratik kullanımı çok sınırlıdır. Bu duruma neden olan sorunları belirlemek için kapsamlı bir literatür taraması yapılmış ve aşağıda sıralanan bulgulara ulaşılmıştır:
•Tepki veren cepheler açıkça tanımlanmış ve çözümlenmiş değildir. 
•Tasarımcıların tepki veren cephe tasarımı konusunda deneyim ve bilgi edinmeleri gerekmektedir. Ancak, uygulanmış sistemlerin, tasarım ve yapım süreçleri, performans ve kullanım değerlendirmeleri hakkında ayrıntılı bilgi literatürde bulunmamaktadır. 
•Tepki veren cephelerin tasarımı ve performans değerlendirmesi karmaşık bir görevdir. Mevcut performans değerlendirme araçları bu süreçte yetersiz kalmaktadır.
•Tepki veren cephe tasarımını desteklemek için standart prosedürler, tasarım araçları ve yöntemleri gerekmektedir.
•Mevcut örneklerin çoğunluğu, yenilikçi teknolojiler içeren, proje odaklı geliştirilmiş, karmaşık ve özel çözümlerdir. Bu nedenle yüksek risk içeren zorlu projelerdir.
Yukarıda listelenen problemler göz önüne alındığında, tepki veren cephelerin pratik uygulanabilirliğini arttırmak için basit, esnek ve kolay erişilebilir çözümlere ve bu çözümleri elde etmek için iyi tanımlanmış prosedürlere ihtiyaç vardır. Böylece, tepki veren cephelerin, piyasadaki cephe sistemlerinin çoğu gibi, özelleştirilmiş endüstriyel ürünler haline gelmesi için bir temel sağlanabilir. Bu ihtiyaç bağlamında üretilebilecek çözümlerden biri, standart ürünler kullanarak, en az sayıda parça ve katmanla, tepki veren cephelerin tasarımı ve üretimini sadeleştirmektir. Bu yaklaşım kapsamında "ürün" terimi, yapı ürünü hiyerarşisi içerisinde, malzeme ile bileşen arasında değişen farklı bütünlük seviyelerindeki tüm cephe ürün seviyelerini tanımlamak için kullanılmaktadır. Aynı şekilde, "standart ürün" terimi, standart malzemeden bileşene kadar değişen, değiştirilemez özelliklere ve üretim işlemlerine sahip tüm ürün seviyelerini kapsar.
Bu çalışmanın amacı, tepki veren cephelerin piyasada mevcut olan standart ürünlerle tasarımını desteklemek, sadeleştirme yoluyla uygulanabilirliğini arttırmak için bir tasarım modeli geliştirmektir. Bunun için gerekli altyapının oluşturulması amacıyla öncelikle kapsamlı bir literatür araştırması gerçekleştirilmiştir. Piyasadaki cephe sistemlerinin çoğunluğu proje ihtiyaçlarına göre özelleştirilebilen endüstriyel ürünlerdir. Bu cephelerin sistem tasarımı, belirlenen pazar ihtiyaçları bağlamında sistem sağlayıcıları/üreticileri tarafından ürün tasarımı süreçleriyle geliştirilmektedir. Bu bağlamda ürün tasarımı konusu çalışmaya dâhil edilmiştir. Ürün ve cephe tasarımı süreçleri incelenerek, gerçekleştirilen faaliyetler, alınan kararlar ve kullanılan sistematik yöntemler belirlenmiştir. Cephe tasarımı proje temelli olarak gerçekleştirildiğinden ve her proje farklı tasarım parametreleri içerdiğinden geliştirilen sistemin de bu duruma uyum sağlayabilecek esneklikte olması gerekmektedir. Bu nedenle standart ürünlerle esnek tasarımlara ulaşmayı sağlayacak tasarım özelleştirme yaklaşımları hem ürün hem de cephe tasarımı literatüründen araştırılmıştır. Cephe tasarımı ve ürün tasarımı arasındaki farklar tanımlanarak ürün tasarımı yaklaşımlarının cephe tasarımına uyarlanmasında dikkat edilmesi gereken hususlar belirlenmiştir. Tepki veren cephelerin tanımları, örnek projeleri ve sınıflandırma yaklaşımları incelenerek, tanımlayıcı özellikleri, tasarım kriterleri ve süreçleri belirlenmiştir. 
Literatür araştırmasıyla derlenen veriler ışığında, tepki veren cephelerin standart ürünlerle tasarımı modelinin geliştirilmesine başlanmıştır. Çalışmada ele alınan tasarım problemi olası pek çok çözüm içeren açık uçlu bir problemdir. Bu bağlamda öncelikle tepki veren cephelerde standart ürünlerle tasarım probleminin çözümü için olası çözüm yolları, konsept çözümler, literatür araştırmasından elde edilen konsept değişkenlerinin seçim spektrumunda aldıkları değerlere bağlı olarak tanımlanmıştır. Geliştirilen bu konsept çözümler, çalışmanın hedefleri ve kısıtlamaları bağlamında belirlenen seçim kriterlerine göre değerlendirilmiş ve "yeniden tasarım" konsepti tasarım modeli olarak geliştirilmek üzere seçilmiştir.
Yeniden tasarım modelinin geliştirilmesi iki aşamalı olarak ilerlemiştir. İlk aşamada tasarım yoluyla araştırma yöntemi benimsenerek, herhangi bir sistematik yöntem kullanılmadan mevcut bir tepki veren cephenin standart ürünler kullanılarak yeniden tasarımı üzerine bir ön çalışma yapılmıştır. Yeniden tasarım süreci tasarım günlüğü yöntemiyle kaydedilerek gerçekleştirilen faaliyetler belirlenmiştir. Bu faaliyetler kullanım amacı, elde edilen veriler ve uygulama kolaylığı bağlamında analiz edilmiş, geliştirilmesi gereken alanlar belirlenmiştir. 
İkinci aşamada, ön çalışmayla tespit edilen tasarım süreci ve faaliyetleri sistematize edilerek geliştirilmiştir. Ön çalışmada tespit edilen tasarım faaliyetleri temel hedefleri bağlamında gruplandırılmıştır. Belirlenen eksiklikler ve geliştirilmesi gereken faaliyetler göz önüne alınarak ürün ve cephe tasarım süreçleri incelenmiş, ihtiyaç duyulan tasarım aşamaları modele entegre edilmiştir. Böylece beş aşamadan oluşan yeniden tasarım modeli taslağı oluşturulmuştur. Model taslağını oluşturan her bir süreç aşaması, tasarım alt problemleri ve aşamanın ön görülen çıktılarına bağlı olarak ayrı ayrı geliştirilmiştir. Ayrıntılı bir inceleme için her bir süreç aşaması bir ön çalışma üzerinde değerlendirilmiştir. Bu ön çalışmaların bulgularına dayanarak yeniden tasarım modelinin uygulanmasını kolaylaştıracak iyileştirmeler yapılmış; tasarım faaliyetlerine kontrol listeleri ve şablonlar eklenmiştir. Sonuç olarak, yeniden tasarım modeli DFA ve DFM'nin belirlenen araçlarının kombinasyonu, tersine mühendislik ve yeniden tasarım süreçlerinin sentezi ile geliştirilmiştir. Yeniden tasarım modelinin aşamaları ve bu aşamalarda üretilen bilgiler sırasıyla aşağıda açıklanmaktadır:
•Aşama I, planlama: Yeniden tasarlanan cephenin sağlaması gereken özellikler, yani tasarım hedefleri ortaya koyulmakta ve bu hedefleri karşılamaya en yakın mevcut bir tepki veren cephe yeniden tasarımda kullanılmak üzere referans cephe olarak seçilmektedir.
•Aşama II, referans cephe sisteminin tanımlanması: Tersine mühendislik süreçleri kullanılarak referans cephenin, tasarım mantığı ve fiziksel sisteminin özellikleri ortaya koyulmaktadır.
•Aşama III, referans cephe sisteminin analizi: Cephe sisteminin yapılabilirlik, cepheyi oluşturan parçaların DFA entegrasyonuyla fonksiyonellik, cepheyi oluşturan parçaların ve cephenin üretim, montaj ve yapımında ihtiyaç duyulan ekipmanların erişilebilirlik analizi yapılarak yeniden tasarım stratejisi geliştirilmektedir.
•Aşama IV, referans cephe sisteminin yeniden tasarımı: Yeniden tasarım bu aşamanın dört modülü bağlamında gerçekleştirilir. İlk modülde sistem sadeleştirmesi form değişimi ve parça azaltma yoluyla sağlanır. İkinci modül yaratıcılığı destekleyen sistematik yöntemler entegrasyonuyla tasarım problemine yaratıcı çözümlerin arandığı problem çözme/fikir üretme modülüdür. Üçüncü modülde mevcut pazar ve proje koşulları bağlamında temin edilemeyen parçaların fonksiyonunu üstlenecek standart ürünler kriterlere bağlı değerlendirme yöntemiyle seçilir. Dördüncü modülde DFM entegrasyonuyla tüm parçaların birleşimi sağlanır.
•Aşama V, yeniden tasarlanan cephe sisteminin değerlendirilmesi: Yeniden tasarlanan cephe iki aşamalı olarak değerlendirilmektedir. Öncelikle yapılabilirlik değerlendirmesi yapılarak hedeflenen iyileştirmenin sağlanması koşulu değerlendirilir. Yapılabilirlik iyileştirmesi sağlanmışsa ve yapılan değişimler bağlamında gerekli görülüyorsa performans değerlendirmesi yapılır.
Yeniden tasarım modelinin uygulanabilirliği bir örnek çalışmayla sınanmıştır. Modelin her bir aşaması uygulama kolaylığı ve fonksiyonelliği bağlamında değerlendirilmiştir. Yeniden tasarım modeli hem ürün hem de süreç odaklı, yapılandırılmış bir yaklaşımdır. Sistem sadeleştirmesi yoluyla yapılabilirliğin iyileştirilmesini destekler. Malzeme, üretim teknikleri ve yerel pazar koşulları gibi gerekli konularda kapsamlı bilgiye sahip uzmanlarla iş birliğiyle, tepki veren cephe tasarımından sorumlu tasarımcı tarafından kullanılması önerilmektedir. Modelin aşamaları, sistematik olarak gerçekleşen ve belirli sonuçlar doğurduğu kabul edilen tekrarlanabilir eylem kalıplarından ve takip edilmesi gereken adımlardan oluşmaktadır. Bu özellikleriyle modelin aşamaları sonuç üretme potansiyeline sahip, öğretilebilir, öğrenilebilir ve uygulanabilirdir. Gerçekleştirilen faaliyetleri desteklemek için geliştirilen kontrol listeleri, şablonlar ve değerlendirme kriterleri modelin uygulanmasını kolaylaştırmaktadır. Model teoride sıralıdır; her aşama bir sonraki için girdi üretir. Ancak en iyi çözümü elde etmek için aşamalar içinde ve arasında çoklu yinelemelere ihtiyaç duyulabilir. Diğer yandan, yeniden tasarlanan cephenin kalitesi, referans cepheden ve modeli kullanan tasarımcıların uzmanlık seviyesinden izole edilemez.

Abstract:
Adaptive facades are considered to be an important step in the development of facade technology and receive increasing attention from researchers and professionals in the building sector, as they provide interior comfort conditions with low energy consumption. Currently, there are more than five hundred building examples with adaptive shells according to the climate adaptive building shells database. However, these examples are mainly "experimental, small-scale" or "high-profile, high-budget," projects. Despite their accepted potential of high environmental performance and wide range of technology options from high-tech to low-tech, the practical application of adaptive facades is very limited. A comprehensive literature review is conducted to determine the problems causing this situation, and the findings are listed below: 
•Adaptive facades are not clearly defined and resolved in the field of architectural research. Change events are not adequately addressed or explored. 
•Designers need to acquire experience and knowledge about designing adaptive facades. However, detailed information about design and construction processes, performance and post occupancy evaluations of existing cases are lacking in literature. Decisions on how adaptive facades are designed, operated, maintained and assessed remain a challenge. Questions such as, what sort of adaptation is needed, what type of behavior results the best performance and what is the maximum acceptable rate of change are still being researched.
•Design and performance evaluation of adaptive facades is a complex task, and existing performance assessment tools are insufficient to evaluate the adaptive facade systems.
•Standardized procedures, design support tools and methods are needed for adaptive facade design.
•Majority of the current examples are project-oriented custom solutions that develop complex one-of-a-kind products and involve innovative technologies, resulting in challenging projects with relatively high risks. 
Considering the problems listed above, simple, flexible and easily accessible solutions are needed with well-described procedures to achieve these solutions to increase the practical application of adaptive facades. Thus, a basis would be provided for adaptive facades to become customized industrial products like the majority of regular facade systems on the market. In the context of this need, several approaches could be developed to achieve such solutions. One of those solutions is to simplify the design of adaptive facades using products that are based on engineered standard products with the least number of parts and layers. Within the scope of this approach, the term "product" is used to describe all product levels of facades, between different levels of completeness from material to component, within the building product hierarchy. Likewise, the term "standard product" covers all levels of products with unalterable characteristics and manufacturing processes, ranging from standard material to component. 
In addition to enhancing feasibility and constructability of adaptive facades, there are several other reasons for proposing the design of adaptive facades with standard products. Standard products are less expensive to design and provide time savings, considering design, documentation, prototyping and testing processes. The overhead cost of purchasing all the constituent parts and the cost of non-core-competency manufacturing can be reduced by using standard products. Suppliers are more efficient at their specialty, more experienced on their products, continuously improve quality, have proven track records on reliability, dedicate production facilities, produce parts at lower cost, offer standardized parts, and sometimes pick up warrantee/service costs. All these features of standard products support the maintenance, repair and operation processes as well as the manufacturing process.
The aim of this research is to develop a design model to support designing adaptive facades with standard products which are available on market, to improve constructability through simplification. In order to establish the framework of the research, a comprehensive literature review is conducted. The majority of the facade systems on the market are industrial products that can be customized according to project needs. The system design of these facades is developed by system providers/ manufacturers through product design processes in the context of identified market needs. Therefore, the subject of product design is included to the research. Product and facade design processes are analysed and the relevant activities, decisions and systematic methods are determined. Since the facade design is realised based on the project and each project contains different design parameters, the facade system must be flexible enough to adapt this situation. For this reason, design customization approaches to reach flexible designs with standard products is investigated from both product and facade design literature. The differences between the facade design and the product design are defined and the issues to be considered in adapting the product design approaches to the facade design are determined. The definitions, case studies and classification approaches of the adaptive facades are analysed and their descriptive characteristics, design criteria and design processes are determined. 
In the light of the data compiled by the literature research, the model of designing adaptive facades with standard products has begun to be developed. The design problem discussed in this research is an open-ended problem with many possible solutions. In this context, firstly, possible solutions, namely design concepts, are defined depending on the concept variables obtained from the literature review. These concept solutions are evaluated according to the selection criteria determined in the context of the objectives and limitations of the research and the "redesign" concept is chosen to be developed as the design model. 
The development of the redesign model is realized in two stages. In the first stage, research through design methodology is adopted. A preliminary study is carried out on the redesign of an existing adaptive facade with standard products without using any systematic method. The redesign process is recorded with the design diary method and the design activities are determined. These activities are analysed in the context of the purpose of use, generated data and ease of implementation; and the areas to be developed are identified.
In the second stage, the design process and activities determined by the preliminary study are developed by systematization. The design activities identified in the preliminary study are grouped in the context of their main objectives. Product and facade design processes are reviewed by taking into account the identified deficiencies and the activities that need to be improved; the required design phases are integrated into the model. Thus, a framework of the redesign model consisting of five phases is generated. Each design phase is developed separately depending on the design sub-problems and the predicted outputs of the phase. An iterative loop of development, application test and review process is carried out. Based on the findings of these reviews, improvements are made to facilitate the implementation of the redesign model; checklists and templates are added to the design activities. As a result, the redesign model is developed by the combination of the identified tools of DFA and DFM, with the synthesis of reverse engineering and redesign processes. The phases of the redesign model and the information generated in these phases are explained in the following order:
•Phase I, Planning: The characteristics that the redesigned facade needs to provide, the design objectives of the redesign, are introduced. An existing adaptive facade closest to meet these objectives is chosen as the reference facade for redesign.
•Phase II, Definition of The Reference Facade System: Using the reverse engineering process, the design logic and the physical system of the reference facade are defined.
•Phase III, Analysis of The Reference Facade System: Redesign strategy is developed by constructability, function and availability analysis of the reference facade system.
•Phase IV, Redesign of The Reference Facade System: The redesign is carried out in the context of the four modules of this phase. In the first module, system simplification is achieved through form change and part reduction. The second module is a problem solving/idea generation module that seeks creative solutions to the design problem with integrating of systematic methods that support creativity. In the third module, the standard products are selected to support the function of the parts which cannot be provided from the local market. In the fourth module, all parts are joined with DFM integration.
•Phase V, Evaluation of The Redesigned Facade System: The redesigned facade is evaluated in two stages. First, a constructability evaluation is carried out to determine whether the targeted improvement is achieved. If the target constructability improvement is provided and in the context of the changes made at the reference facade system, deemed necessary, performance evaluation is implemented.
Subsequent to the model development, its application is tested through a case study. Each phase is evaluated separately in terms of functionality and ease of application. The redesign model is a both product and process focused, structured approach towards manufacturing adaptive facades with standard products. It supports improving constructability through system simplification. Proposed to be used by the designer responsible from the adaptive facade design with experts who have a comprehensive knowledge on required subjects, such as materials, production techniques and local market conditions. The phases of the model consist of repeatable patterns of actions and steps that need to be followed, which are systematically realized and are considered to produce certain results. With these features, the phases of the model are teachable, learnable and applicable. Checklists, templates and evaluation criteria developed to support the redesign activities facilitate the implementation of the model. Model is sequential in theory; each phase produces input for the next. Although multiple iterations within and between the phases could be needed to achieve the best solution. Even it is assumed that the systematical methods could restrict creativity and innovation, it is a case-based attitude, and use of the model could also be thought-provoking by imposing actions that the designers do not conceive. Furthermore, the model is available for extension. It can accommodate additional tools for design analysis to support unforeseen design objectives. It can also be utilized at original adaptive facade design after determining the product architecture, to analyze and improve the design for manufacturing.
Besides all the promising features, there are some limitations of the model. The quality of the redesigned adaptive facade cannot be isolated from the reference facade and level of expertise of the designers using the model. Therefore, the right choice of experts and reference facade has great impact on redesign quality. Although redesign is a widely used method in product design, its practical application in adaptive facade design is currently limited due to the lack of detailed information about existing adaptive facades. Moreover, absence of product databases makes it difficult to select products in a controlled way, which also affects the connection design and may cause extra design iterations.