Sürdürülebilir toplu konut yerleşmesi tasarımı için Pareto genetik algoritmaya dayalı bir model önerisi: SSPM

Sürdürülebilir yerleşme ve bina tasarımı geleneksel bina tasarımına göre daha karmaşık bir sürece sahiptir. Bunun nedeni birlikte alınması gereken fakat birbiriyle çelişen pek çok tasarım kararının erken tasarım evresinde alınması gerekliliğidir. Sürdürülebilir tasarımın erken evresinde tasarımcıya yardımcı bir karar destek sistemine ihtiyaç kaçınılmazdır; fakat tasarım endüstrisinde, bilgisayar tabanlı araçlar tasarım sürecinin önemli bir parçasını oluşturmalarına rağmen, erken tasarım evresi bilgisayar desteğinin en az kullanıldığı evre olmuştur. Bu çalışmada, pareto temelli bastırılmamış sınıflandırmalı genetik algoritma yöntemi kullanılarak pek çok tasarım kriterini göz önünde bulundurması gereken tasarımcıya karar verme sürecinde yardımcı olacak evrimsel bir model geliştirilmesi amaçlanmıştır. Sürdürülebilir Arazi Yerleşme Planlama Modeli olarak adlandırılan model, evrimsel algoritmaların sürdürülebilir arazi yerleşiminde kullanılmasıyla, erken tasarım evresinde toplu konutların araziye yerleşiminde mimarı yönlendirebilecek bir karar destek sistemi olarak önerilmiştir. Evrimsel algoritmalarda en iyi çözümler, evrimsel süreçlere maruz bırakıldıktan sonra, olası çözümler kümesinden elde edilir. Eğer eniyilenecek tek bir amaç varsa, problem 'tek amaçlı eniyileme problemi'; birden fazla amaç olması durumunda ise 'çok amaçlı eniyileme problemi' olarak tanımlanır. Çok amaçlı eniyileme problemlerinde, birbiriyle çelişen amaçlar nedeniyle problemin çözümleri birden fazladır. Bu çözümlere etkin çözümler denir. Pareto analizi değişik sayıdaki önemli etkenleri, daha az önemde olan etkenlerden ayırmak için kullanılan bir tekniktir. Pareto-optimal kavramının evrimsel algoritmalara uyarlanmasıyla, SSPM modelinde kullanılan pareto temelli çok amaçlı evrimsel eniyileme algoritmaları geliştirilmiştir. Buna göre, popülasyondaki en iyi çözüm, amaçların herhangi biri içinde en kötü olmayan ve en azından bir amaç içinde diğerlerinden daha iyi olan çözüm anlamındadır. Tasarımın ilk aşamasında eldeki tasarım problemine uygun tüm sınırlandırmaları göz önünde bulundurarak toplu konut yerleşim önerileri sunan evrimsel modelin tanımlanması ve modelin alan çalışması yapılarak değerlendirilmesi bu çalışmanın konusunu oluşturacaktır. Sürdürülebilir tasarım sürecinde, sezgisel ve uygulama tecrübesine dayanan geleneksel tasarım yöntemi yerine, hesaplamalı yöntemlerle problem alanına daha geniş açıdan bakılarak tatminkar çözüm alternatifleri elde edilebilir. Tasarımın ilk evresinde sayısal ortamda planlanmış ve tasarlanmış bir çevre, tasarımcının yaratıcılığının doğru yönde gelişmesini sağlar. Bu sayede üretilen oldukça fazla sayıda alternatif objektif olarak değerlendirilebilir. Tez kapsamında, mimari tasarımda öncelikle çok amaçlı eniyilme modelleriyle sürdürülebilir tasarım konuları incelenmiştir. Tezin 4. bölümünde bu anlamda geliştirilen iki örnek model tanıtılmıştır. İlk olarak Weimin Wang, Hugues Rivard ve Radu Zimeureanu tarafından geliştirilen, yeşil bina tasarımı için planlar üreten eniyileme modeli ele alınmıştır. Bu çalışmada bina biçimlerinin genetik algoritma kullanılarak eniyilenmesi amaçlanmıştır. Çok amaçlı genetik algoritma, üretilen plan alternatiflerini duvar malzemeleri ile birlikte değerlendirerek, maksimum doğal ışık ve minimum enerji tüketimine göre eleyerek, pareto optimal alternatifi kullanıcıya sunmaktadır. Bina biçimi yanında malzeme ve maliyeti göz önünde bulundurması açısından işlevsel bir model olarak tanımlanabilir, fakat erken tasarım evresinde birden fazla binadan oluşan kompleks sistemlerin araziye yerleşiminde yetersiz kalmaktadır. Zielinska, Church ve Jankowski tarafından geliştirilen SMOLA ise çok amaçlı mekansal eniyilemeyi hedeflemektedir. SMOLA çelişen iki kriter olan maksimum açık alan ve maksimum kalkınma, komşu yerleşimlere uygunluk ve var olan yerleşim alanlarına yakınlık şartlarını göz önünde bulunduran kentsel ölçekli çok amaçlı mekansal eniyileme modelidir. Model kentsel yerleşim problemleri için kısıtlayıcı olarak düşünülebilir, fakat mekansal eniyileme modellerinin gelişen şehirlerin kentsel formunu yönlendirmede büyük rolü olduğu düşünülmektedir. Bu tez kapsamında önerilen sürdürülebilir bina modeli sadece enerji etkin bina modeli olarak değil, eskiz aşamasından başlayarak bina ölçeğinde sürdürülebilir arazi kullanımına önem veren bütünleşik bir modeldir. Bu konuda yapılmış diğer modellerden farklı olarak, Amerika kökenli LEED ve İngiltere kökenli BREEAM arazi yerleşim kriterlerinin yanında yerel yönetmelikleri ve yerel iklim şartlarını da göz önünde bulunduran modelin, üretilen alternatifleri uygunluk puanlarına göre birbirleriyle kıyaslayarak pareto optimal sonuçlar üretmesi, tasarımcıyı sürdürülebilir arazi kullanım çözümlerine götürmesi hedeflenmiştir. Toplu konut yerleşmesinin tasarlanacağı arazi, matrisle tanım tekniği kullanılarak temsil edilmiş ve matrisler Excel'de oluşturulmuştur. Arazinin tanımlanmasında Excel programı, veri girişinin pratik ve kolay tanımlanabilir olması ve matrisle tanım tekniğine olanak sağlaması nedeniyle tercih edilmiştir. Matrisin satırlarını ve sütunlarını oluşturan her bir elemanı, arazinin alanı 1 m olan bir birimini temsil etmektedir. Arazi köşe noktalarının ve arazi üzerindeki mevcut elemanların x, y koordinatlarına göre matris oluşturulmaktadır. Arazinin topografik yapısını ve doğal oluşumları göz ardı etmeden, çözümün gerçekçi sonuçlar verebilmesi için, arazi verilerinin de gerçeğe yakın modellenmesi gerekmektedir. Bunu sağlamak için sayısal araziye eldeki eğim değerlerine göre üç boyutlu karakter kazandırılmıştır. Yükselti farklarının çözümünde, araziden geleneğim değerleri kullanıcı isteğine göre farklı kotlardaki parçalara bölünerek modele tanıtılmaktadır. Bu sayede yüksek kot farkına sahip kademeli arazilerde teraslama yapılarak, topografya ile uyumlu arazi yerleşim çözümlerine gidilebilecektir. Sürdürülebilir bina tasarımını amaçlayarak geliştirilen pek çok evrimsel modelden farklı olarak, arazideki kot farklarını ve üretilen bina yüksekliklerini 3. boyutta kullanıcıya gösteren SSPM modeli, gerçek arazi verilerini sayısal olarak kullanarak, arazideki korunacak ağaçları, su öğelerini ve yeşil alanları üretimlerine dahil etmektedir. Böylece güncel veri grubu üzerinden üretimlerini yaparak gerçekçi sonuçlar vermektedir. Modelin sınanması için Kağıthane'de yer alan 4500 m2 ' büyüklüğünde bir arazi seçilmiştir. Hipotetik bir arazi yerine, daha önceden bir bölümünün kullanılmış olması, sınırları içerisinde korunacak ağaç ve su öğelerini içermesi sebebiyle bu arazi tercih edilmiştir. Arazi İstanbul ilinde olması sebebiyle uygunluk fonksiyonlarının bir kısmını İstanbul İli İmar Yönetmeliği kuralları oluşturmuştur. Araziye ait TAKS, KAKS, hmax, manzara, rüzgar ve iklim verilerine göre üretilmiş ilk popülasyon, sonrasında NSGA-II algoritması döngüsü içerisine sokularak pareto optimal arazi yerleşim bireyleri elde edilmiştir. Her nesilde üretilen birey sayısı 100 ile sınırlandırılmıştır, kullanılan bilgisayarın kapasitesi nedeniyle daha fazla birey üretimi modelin çalışma hızını oldukça düşürmektedir. Yerleşim, manzara ve rüzgar açıları kuzey-güney-doğu ve batı olmak üzere doğrusaldır, açılı yerleşimler modelde üretim dışında tutulmuştur. Arazi, bünyesindeki kot farklarına göre kullanıcı tarafından teraslanarak modele tanıtılmıştır. Hem yerleşilen arazinin eğim verilerini okuyabilen, hem de yerleştirilen blokların yüksekliğini göz önünde bulundurarak yaklaşma mesafelerini hesaplayan model konut bloklarının yerleşimi için alternatif sonuçlar üretmiştir. Çalışmada farklı nesillerde, oluşan pareto eğrileri kıyaslanarak modelin üretimleri değerlendirilmiştir. İlk popülasyon, sonrasında NSGA-II algoritması döngüsü içerisine sokularak pareto optimal arazi yerleşim bireyleri elde edilmiştir. Uygunluk puanları verilen bireylerin toplam skorları 0 ile 1 arasında normalize edilmiştir; 1 en başarılı bireylerdir, 0 en başarısız bireylerdir; sonrasında turnuva seçilimi uygulanır. Turnuva seçiliminde skoru yüksek olan bireylerin üreme şansı daha fazladır. Bireyler kendi skorlarına göre oluşturulan matristen seçilirler. İlk üretilen bireylere bakıldığında arazideki korunması gerekli ağaçlar dikkate alınarak blok yerleşimleri yapılmış, Kağıthane Deresi ve 30'ar metre çevresi de koruma altına alınarak bloklar bu bölgeden uzağa yerleştirilmiştir. Bloklar manzaraya yönelmiştir. Birbirinin manzarasını kesmeyen fazla puanlı alternatiflerin üretim şansı da fazladır. Elde edilen ilk neslin pareto eğrisi eniyileme tamamlanmadığı için doğrusal olarak elde edilmiştir. Nesil ilerledikçe pareto eğrisi sıcak iklime sahip olan Kağıthane arazisi için hem manzara hem de rüzgar fonksiyonlarını maksimize etmek için konkavlaşmıştır. İleriki nesillerin pareto grafiğinde yeşille gösterilen pareto optimal bireyler hem manzara hem de rüzgarı maksimize etmiş ve üretilmiş diğer hiçbir birey tarafından bastırılmamış en yüksek puanlı bireyler olarak karşımıza çıkmıştır. Elde edilen pareto optimal arazi yerleşim bireyleri, kütle yerleştirme problemlerinde genetik algoritmanın iyi ve tutarlı sonuçlar verdiğini göstermektedir. Özellikle yoğun yapılaşmaya izin veren araziler üzerinde birbiriyle çakışan arazi yerleşim kriterlerini göz önünde bulundurarak blok yerleşimlerini yapmak geleneksel yöntemle oldukça zaman almaktadır. Modelin ürettiği pareto optimal arazi bireylerinin çok amaçlı genetik algoritmanın yardımıyla birkaç dakika içerisinde elde edildiği düşünülürse, bu modelin erken tasarım evresindeki önemli bir kullanım potansiyeline sahip olduğu söylenebilir. Sayısal ortamda planlanmış ve tasarlanmış bir çevre, tasarımcının yaratıcılığını doğru yönde ilerletmesine olanak sağlayarak oldukça fazla sayıda alternatifi değerlendirmede yardımcı olacaktır. İki farklı disiplin olan evrimsel algoritmalar ve sürdürülebilir tasarımlara kesitinde yer alan bu çalışma ile gerçekleştirilecek sürdürülebilir yerleşme tasarımı modelinde amaç, uzman bir tasarımcının yerini almak değil; tasarımcıya tasarım kararlarının alınması sürecinde yardımcı olmasını sağlamaktır. Sürdürülebilir tasarım sürecinde, sezgisel ve uygulama tecrübesine dayanan geleneksel tasarım yöntem ve teknikleri yanında; hesaplamalı yöntemlerle problem alanına daha geniş açıdan bakarak çözüm alternatifleri üretmek, tatminkar çözümlerin elde edilmesini sağlayacaktır.