Olağan dışı tasarıma sahip yüksek binalarda mimari ve taşıyıcı sistem tasarımının etkileşimi
Colleration between architectural and structural design on the high-rise buildings with extraordinary forms
Yazar: YİĞİT ERKOÇ
Danışman: PROF. DR. NECDET TORUNBALCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Bina tasarımı = Building design

Özet:
Malzeme ve yapım teknolojilerinin ilerlemesi, bilgisayar destekli çizim ve analiz programlarının gelişmesiyle birlikte, olağan dışı tasarıma sahip yüksek binalar, dünya genelinde ve ülkemizde her geçen gün yaygınlaşmaktadır. Bu binaların sayıca artmasındaki temel nedenler arasında, farklılıklarıyla yatırımcıların ve son kullanıcıların ilgisini çekmesi, mimarların ve mühendislerin tasarım sınırlarını zorlayarak yeni bir şeyler üretme çabası içinde olması gösterilebilir. Olağan dışı tasarıma sahip yüksek bina örnekleri incelendiğinde, form / mimari tasarım ve taşıyıcı sistem tasarımının birbirlerine etkilerinin oldukça fazla olduğu görülmektedir. Buna rağmen olağan dışı geometriye sahip binaların tasarımında, mevcut yönetmeliklerdeki tavsiyelere ve kurallara çoğu zaman gerektiği kadar uyulmamakta veya mevcut yönetmeliklerin öngöremediği yeni problemler ortaya çıkmakta, yönetmelikler yetersiz kalmaktadır. Dolayısıyla bu tarz binalarda kullanıcı can güvenliği ve konfor koşullarının nasıl ve hangi düzeyde sağlandığı incelenmiştir.
Çalışmada ilk olarak olağan dışı tasarıma sahip binaların genel bir tanımlaması yapılmış, bu tarz binaları geleneksel yüksek binalardan ayıran özellikler tespit edilmiş ve tasarımda ve uygulamada karşılaşılabilecek fırsatlar ve problemler genel olarak belirlenmiştir. Hemen ardından olağan dışı tasarıma sahip olan binalar arasındaki ortak yönler incelenmiş ve binaların ortak yönleri, oluşan fırsatlar ve karşılaşılan problemler arasında ilişki kurulmuştur. Bu bağlamda olağan dışı binaların sahip oldukları ortak özelliklere göre sınıflandırması yapılmış ve her sınıf kendi içerisinde sahip olduğu özelliklere, bu özelliklerin sunduğu fırsatlara ve sebep olduğu problemlere göre incelenmiş ve değerlendirilmiştir. Dolayısıyla çalışmada olağan dışı tasarıma sahip binalar sivrilen veya genişleyen tasarıma sahip binalar, burulan tasarıma sahip binalar, eğik tasarıma sahip binalar, karma tasarıma sahip binalar ve serbest tasarıma sahip binalar olarak sınıflandırılmıştır. Sivrilen veya genişleyen tasarıma sahip yüksek binaların kat döşemeleri bina yüksekliği boyunca küçülmekte veya büyümekte, burulan tasarıma sahip yüksek binaların kat döşemeleri bina yüksekliği boyunca döndürülmekte, eğik tasarıma sahip yüksek binaların kat döşemeleri bina yüksekliği boyunca ötelenmekte, karma tasarıma sahip yüksek binalar bu özelliklerden iki veya daha fazlasına sahip olmakta ve serbest tasarıma sahip binalar geometrik elemanların bina kompozisyonunda daha serbest ve keyfi olarak kullanılmasıyla oluşturulmaktadır.
Çalışmanın ikinci aşamasında çok detaylı ve kapsamlı bir literatür araştırması yapılmıştır. Bu araştırmada, yapılan sınıflandırma doğrultusunda olağan dışı binaların  sahip oldukları geometrinin mimari tasarıma etkisi, taşıyıcı sistem tasarımına etkisi, taşıyıcı sistem davranışına etkisi, binanın deprem performansına etkisi, aerodinamik etkisi gibi konularda yapılmış çalışmalar incelenmiş, mevcut yönetmeliklerin ise bu bağlamdaki gereksinimleri araştırılmıştır. Mimari ve taşıyıcı sistem tasarımı hususları her sınıf için ayrı olarak kontrol edilmiştir. Bu aşamada yapılmış bilimsel çalışmalar yanında, olağan dışı tasarıma sahip inşa edilmiş veya konsept olarak kalmış binalar ve bu binalara ilişkin bilimsel yayınlar özellikle araştırılmıştır. Ayrıca, yapılan literatür araştırmasında elde edilen bulgular doğrultusunda olağan dışı binaların sınıflandırması geliştirilmiş ve daha kapsamlı hale getirilmiştir.
Üçünçü aşamada ise olağan dışı tasarıma sahip yüksek binalar, mevcut örnekler üzerinden incelenmiştir. Bu kapsamda önceki aşamada yapılan sınıflandırma kriterlerine uyan örnek binalar belirlenmiştir. Örnek binaların proje çizimleri ve uygulama detayları bilimsel yayınlardan ve tasarımcılarından temin edilmiştir. Bu çizimler ve detaylar analiz edilerek, tasarım parametrelerinin mimari ve taşıyıcı sistem tasarımına etkileri tespit edilmiştir. Ayrıca, incelenen örneklerin tasarımında ve uygulamasında, oluşturulan yeni fırsatların, karşılaşılan problemlerin ve bu problemlere tasarımcılar tarafından üretilen çözümlerin yapılan sınıflandırma ile ilişkişi incelenmiş, kontrol edilmiş ve değerlendirilmiştir.
Çalışmada son olarak olağan dışı tasarıma sahip binalarla ilgili genel bir değerlendirme yapılmış, bütün çalışma süreci boyunca elde edilen veriler, bulgular ve sonuçlar tartışılmıştır. Dolayısıyla olağan dışı tasarıma sahip binaların mimari ve taşıyıcı sistem tasarımı bakımından olumlu ve olumsuz tarafları, faydaları ve sakıncaları, yapılan sınıflandırma doğrultusunda anlatılmış, tasarımcılara öneriler sunulmuştur. Ayrıca çalışmada olağan dışı bina tasarlamak isteyen mimar ve mühendislere bir rehber / el kitabı sunulması da hedeflenmiştir.

Abstract:
Architectural design has continuously evolved over centuries under the influence of culture and technology and continues to do so. Until the 19th century, it is observed that buildings, bearing symbolic value and being a significant part of the culture of the civilization in which they were situated, were constructed with grandeur and height. However, from the late 19th century onwards, ordinary buildings with residential and commercial uses have also started to be constructed at greater heights, influenced by technological advancements.
The definition of a high-rise building in terms of dimensions varies among regulations. Therefore, the perceived height of a building is a relative concept depending on its location. Whether a building is considered tall is related to how much it affects the immediate and distant surroundings, the urban skyline, and the urban infrastructure.
High-rise buildings, by their nature, house a large number of occupants and are subject to much greater loads due to their multi-story structure. Any safety issue that may occur in these buildings poses a threat to the safety of all users. Additionally, the potential for the collapse of buildings of such magnitude to cause harm to nearby structures and people can have a profoundly negative impact on the functioning of the city. Therefore, high-rise buildings are subject to numerous requirements in standards and regulations, necessitating careful attention in their architectural and structural design, as well as in their construction.
The advancement of material and construction technologies, along with the development of computer-aided design and analysis programs, has led to the increasing prevalence of high-rise buildings with unconventional designs worldwide, including in our country. Among the key reasons for the growing number of these buildings are their ability to attract the attention of investors and end-users with their distinctiveness, as well as the efforts of architects and engineers to push the boundaries of design and create something new and extraordinary. When examining examples of high-rise buildings with unconventional designs, it becomes evident that there is a significant correlation between architectural design and structural system design.
In cities, high-rise buildings that have become iconic structures exhibit a wide variety of designs in today's world. Many high-rise buildings with unconventional designs, both in our country and abroad, serve as reference points in the cities where they are located, a testament to the professional competence and experience of the architects and engineers who design them. However, the design of such buildings often contradicts many principles, especially those outlined in building and seismic codes. The short-term and long-term performance of these buildings within their life cycle is not well understood.
In today's context, standards and regulations comprehensively define and explain the issues and rules that need to be considered in high-rise building design. However, in contrast, when it comes to the design of buildings with unconventional geometries, adherence to the recommendations and rules in existing regulations is often insufficient, or new problems emerge that existing regulations cannot anticipate, rendering them inadequate. Therefore, an examination is needed on how and to what extent user safety and comfort conditions are ensured in such buildings.
The first part of the study provides a general description of buildings with unconventional designs, identifying features that set them apart from traditional high-rise buildings. Opportunities and challenges in design and implementation are outlined. Subsequently, commonalities among buildings with unconventional designs are explored, and relationships are established between shared features, opportunities, and challenges. The buildings are classified based on common features into categories such as buildings with tapered or reverse tapered buildings, twisted buildings, inclined buildings, combination design buildings, and freeform buildings. For high-rise buildings with a tapered or reverse tapered design, floor slabs either shrink or expand along the height of the building. In buildings with a twisted design, floor slabs are rotated along the height of the building. For high-rise buildings with an inclined design, floor slabs are shifted along the height of the building. Buildings with a combination design have two or more of these features, and those with a freeform design are created by using geometric elements more freely and arbitrarily in the building composition. Each category is then examined and evaluated based on its unique features, opportunities, and problems.
In the second phase of the study, an extensive literature review is conducted. Studies related to the impact of the geometry of unconventional buildings on architectural design, structural system design, structural behavior, seismic performance, aerodynamic effects, and other relevant aspects are examined. Additionally, existing regulations and their requirements in this context are investigated. Architectural and structural system design aspects are individually scrutinized for each category.
Besides scientific studies, the study also investigates built or conceptual buildings with unconventional designs and related scientific publications. The classification of unconventional buildings is refined and expanded based on the findings of the literature review.
The third phase involves the examination of high-rise buildings with unconventional designs through existing examples. Buildings that meet the classification criteria established earlier are identified. Project drawings and implementation details of these examples are obtained from scientific publications and their designers. These drawings and details are analyzed to determine the impact of design parameters on architectural and structural system design. The study also investigates the relationship between the opportunities and challenges identified in the design and implementation of the examined examples, and the classification made earlier is reviewed, checked, and evaluated.
In the final part of the study, a general assessment of buildings with unconventional designs is provided. The data, findings, and results obtained throughout the entire research process are discussed. The positive and negative aspects, benefits, and drawbacks of architectural and structural system design for buildings with unconventional designs are conveyed in line with the classification made.
Finally, recommendations are presented to designers. Additionally, the study aims to serve as a guide/handbook for architects and engineers interested in designing unconventional buildings.