An algorithm aided design approach for using daylight in early phases of architectural design

Bu tez, mimari tasarımın ilk evrelerinde gün ışığını kullanmak için algoritma destekli bir tasarım yaklaşımı önermektedir. Ana fikir, Yapı Bilgi Modellemesi ortamında gün ışığı hesaplamasını kullanan algoritma destekli tasarım araçlarıyla oluşturulan bir kütle çalışması için nasıl bir karar destek yönteminin etkili şekilde kullanılabileceğini göstermektir. Algoritmanın potansiyel kullanımını göstermek adına, örnek bir proje alanı için bir kütle çalışması, tasarım problemi olarak tanımlanmıştır. Algoritmadan gelen geribildirimlerin bir kütle çalışmasını oluşturma, değerlendirme ve geliştirme için nasıl kullanılabileceğini göstermek için tasarımcı ile etkileşimli bir çalışma simüle edildi. Araştırmalar, hesaplamalı tasarım araçlarının avantajlarını kullanarak mimaride gün ışığının kullanımının geliştirilmesine odaklanmaktadır. Bu kapsamda araştırma, mimaride gün ışığının hesaplamalı tasarım araçlarının avantajlarını kullanarak, mimarideki gün ışığı kullanımının mimarın niteliksel tasarım değerlendirmesine ek olarak niceliksel verilerle çalışan bir tasarım anlayışını dahil ederek mimari tasarımda gün ışığı kullanımının geliştirilmesine odaklanılmıştır. Bu amaçla gün ışığı kullanılan performansa dayalı tasarım yaklaşımları ve gün ışığının çeşitli hesaplama yöntemleri incelenmiştir. Yapının iç mekanındaki gün ışığı performansından elde edilen sonuçları değerlendiren Genetik Algoritmalar ile optimize ederek tasarım çözümleri önerebilecek bir yaklaşım planlanmıştır. Tez kapsamında yürütülen araştırmalarda, Nesne Tabanlı Tasarım anlayışıyla çalışan bir BIM yazılımı olan Autodesk Revit'in görsel programlama uygulaması Dynamo kullanılarak bir Algoritma Destekli Tasarım yaklaşımı geliştirilmiştir. Bu çalışma kapsamında ikinci bölümde, öncelikle mimari tasarımdaki gün ışığı değerlendirme stratejilerine genel bakış incelenmiştir. Geçmişteki iç mekan gün ışığı yeterliliği üzerine yapılan çalışmalar ile günümüzde yapılan çalışmalar arasındaki ilişkiyi belirlemek için iç mekan gün ışığı yeterlilik çalışmalarının kökeni ile ilgili kısa bir tarihçe incelenmiştir. 1800'lerin sonlarından bugüne kadar gerçekleştirilen çalışmalar sunulurken gün ışığı kullanılabilirliği değerlendirmesinde kullanılan metrik çalışmalara değinilerek gün ışığının ölçümündeki değerlendirme stratejileri arasındaki farklar ve bu anlayışların gelişimleri incelendi. Üçüncü bölümde, gün ışığı çalışmalarının değerlendirilmesinde kullanılabilecek yöntem araştırmaları açıklanarak bu yöntemlerin dahil olduğu entegre bir yöntem önerisi sunulmuştur. Yöntemler üç ana başlık altında incelenmiştir. Birincisi Algoritma Destekli Tasarım, ikincisi Performans Yürütümlü Tasarım yaklaşımı ve son olarak Evrimsel Algoritmalar'dan Genetik Algoritmalar. Algoritma Destekli Tasarım yaklaşımlarının, geleneksel BIM tasarım anlayışının Nesne Tabanlı Tasarım konseptine katkıda bulunabilecek yönleri ele alınarak entegrasyonunun nasıl sağlanabileceği kurgulanmıştır. Bu bölümün devamında araştırma, bina ve çevre arasındaki ilişkiyi güçlendirerek sürdürülebilirliğin geliştirilmesine katkıda bulunabilecek Performansa Dayalı Tasarım yaklaşımlarına odaklanılmıştır. Performans Yürütümlü Tasarım yaklaşımları ve Performansa Dayalı Tasarım yaklaşımları arasındaki fark çeşitli örneklerle ayrıntılandırılmıştır. Önerilen tartışmayı desteklemek için, ilk iki yaklaşım olan Üretken Sistemler ve Performans Bazlı Tasarım yaklaşımlarına ek olarak evrimsel algoritmaların eklenerek önerilen çalışmanın nasıl Performans Yürütümlü Tasarım'a dönüşeceği üzerinden konu tartışılmıştır. Üçüncü bölümün son kısmında, Çok Amaçlı Optimizasyon ve Tek Amaçlı Optimizasyon tasarım yaklaşımları üzerine Genetik Algoritma yöntemleri, bir sonraki bölümde yapılacak olan deneylerde kullanılmak üzere metodolojik bir çerçeve oluşturmak için incelenmiştir. Buna bağlı olarak araştırmada Genetik Algoritmalar'dan NSGA-II tekniğine değinilerek bir sonraki bölümde tasarlanan tasarım yaklaşımı çerçevesini oluşturmaya odaklanmıştır. Dördüncü bölümde, vaka incelemesi için deneylerin hazırlanması ve önceki bölümlerden elde edilen teorik bilgilerin uygulamaya dönüştürülmesi amaçlanmıştır. Bu vaka çalışmasında, Autodesk Revit'tin görsel programlama eklentisi Dynamo'da kurgulanan bir algoritma dizilimi aracılığıyla üretilen kütle alternatiflerinin varyasyonları ile iç mekan gün ışığı aydınlatma yeterliliğini değerlendirerek kütlelerin optimize edilmesini sağlayan bir Algoritma Destekli Tasarım yaklaşımı önerilmiştir. Tüm bu işlemler, tasarımın erken aşamalarında uygulanarak kullanıcıya tasarımın başında sunulabilecek tasarım önerilerinin altlığını oluşturması için bir şablon kütle tasarımının rastgele seçilimle oluşturulmasıyla başlatılmıştır. Daha sonra bu şablon kütle yerleşiminin etrafını duvarlar, döşemeler, tavanlar ve pencereler ile kaplayarak oluşturulan kütlenin mimari bir mekan oluşturması sağlanmıştır. Dynamo'nun Honeybee, Ladybug ve Radiance eklentileri ile bu oluşturulan kütlelerin iç kısmına gün ışığını ölçebilen ortogonal ızgara tabanlı alıcılar yerleştirilerek iç mekan aydınlatma değerlerinin ölçümü sağlanmıştır. Daha sonra elde edilen sayısal veriler, Dynamo'nun optimizasyon için kullanılan Optimo eklentisi kullanılarak kütlelerin yerleşim optimizasyonunun sağlanması amaçlanmıştır. Optimo Genetik Algoritma tabanlı, NSGA-II yöntemini kullanan bir optimizasyon algoritmaları paketidir. Optimo'nun çalışma prensibi, ilk popülasyon olarak bilinen ve rastgele sayısal veri üreteren düğümü ile, kullanıcının mimari ihtiaç programına özel tasarladığı bir tasarımı, Optimo'nun algoritmik diziliminde işleterek çıkan sonuçları yine tasarımcının belirlediği bir uygunluk fonksiyonu değeri üzerinden değerlendirebilmesi ilkesiyle çalışmaktadır. Bu çalışmada kütle üretim algoritmasının oluşturduğu mekanların iç mekan aydınlatma ölçümünü bir uygunluk fonksiyonu olarak tanımlanması sağlanmıştır. Daha sonra Optimo'nun ürettiği sayısal veriler bu fonksiyonda çalıştırılarak çıkan sonuçların değerlendirilmesi incelenmiştir. Farklı bir şekilde ifade etmek gerekirse, fonksiyon olarak tanımlanan düğüm 'Genotip'i ifade etmektedir. Bu Genotip üzerine uygulanan işlemden sonra ortaya çıkan sonuçlar ise 'Fenotip' i ifade etmektedir. Burada kastedilen Genotip'i tasarımcının mimari tasarımdaki ihtiyaçlarına göre kendisinin kurgulayarak Optimo'nun Genetik Algoritma tabanlı diziliminde test edebilme imkanı sağlanmıştır. Bu sayede mimarin tasarımı sırasında karar alırken kendisine kararında desteği sağlayabileceği bir yaklaşım uygulanmıştır. Son olarak beşinci bölüm, önerilen yöntem yaklaşımlarının değerlendirilmesi, bu yaklaşımların iyileştirilme olasılıklarının tartışılması ve bu yöntemlerin uygulandığı vaka çalışmasının sonuçlarının incelenmesiyle sona ermektedir. Modelin teoriden pratiğe dönüştürülmesinde karşılaşılan ve önceki bölümlerde açıklanan tasarım yaklaşımına dayanan modelin kısıtlamaları ayrıntılı olarak tartışılmaktadır. Bu çalışmanın sonuçları, yöntemin tasarım sürecine katkısı ve metodolojik/kullanılan araçlardan kaynaklı yetersizlikleri hakkında bilgi sağlayarak, BIM ortamında gün ışığını algoritma destekli tasarım araçlarıyla kullanma konusunda bir görüş ortaya koyabilir. Önerilen yöntem ve araçların eklemlenebilirliğinin ya da çıkarılabilirliğinin bir sonucu olarak, yaklaşım gelecekteki çalışmalarda geliştirilebilir ve mimarlık pratiğinde kendi yerini bulabilir.