Developing computational dialogue interface on freeform paneling for cost efficiency

Serbest eğrilikli geometriler ahşap, kamış, hasır kubbevari barınaklar olarak antik dönemlerden beri yapılı çevrede mevcuttur. Mimarlık tarihinde, tek ve çift eğrilikli geometriler kemer ve kubbe gibi yapı elemanlarında karşımıza çıkmaktadır. Bu yapı elemanları, dönemlerindeki mevcut malzemeler ve taşıyıcılık kısıtlamaları sonucu şekillenmiştir. Endüstriyel gelişmeler ve demir, betonarme, çelik malzemelerinin inşaat malzemesi olarak kullanımının imkanıyla birlikte, tasarımcılar form bulmayöntemleriyle yeni form arayışlarına girmiştir. Bilahare, teknolojik gelişmeler ve bilgisayar destekli tasarım araçlarının yaygınlaşması ile birlikte form arayışlarına ve daha karmaşık serbest biçimlerin elde edilmesine yeni imkanlar doğmuş, dahası karmaşık serbest biçimlere olan talep artmıştır. Nitekim bilgisayar destekli tasarım araçları form arayışlarına serbestlik getirmiş ve serbest eğrilikli geometrilerin günümüz mimarlığında en mühim olgularından biri haline gelmesine neden olmuştur. Tasarımcılar serbest eğrilikli geometrilerin tasarımında etkili yazılım desteğine sahipken, bu formlar için maliyet etkin imalat çözümleri geliştirme problemi ortaya çıkmıştır. Tarihi süreçte, serbest biçimli tasarım önerilerinin bazıları bütçe nedeniyle reddedilirken, bazıları kabul edilmiş ancak yüklenicilerinin iflasına neden olmuştur. Fakat tasarımcıların serbest biçimli geometrilerdeki ilgi ve ısrarı, talihsiz tecrübelerin önüne geçmişş, serbest eğrilikli biçimlerin imalatının akademi ve yapı endüstrilerinde bir araştırma geliştirme alanı olarak gelişmesine sebep olmuştur. Böylelikle, matematik, geometri, yazılım uzmanları, mühendis ve tasarımcıların araştırma yaptığıMimari Geometri, disipliner arası bir çalışma alanı olarak ortaya çıkmıştır. Serbest eğrilikli geometrilerin imalat süreçleri, geometri, malzeme, taşıyıcı sistem, kullanım ve nakliye ile ilgili çeşitli zorlukları bünyesinde barındırmaktadır. Tasarlanan yüzey, bu zorluklar göz önünde bulundurularak ve tasarlanan biçime sadık kalınarak rasyonelleştirilmelidir. Rasyonelleştirme süreci, genellikle ilgili uzmanlar ve danışmanlar tarafından yürütülür ve projelendirme süreçlerinin en sonlarında kendine yer bulur. Bu aşamada yapılan rasyonelleştirme, danışman ve yüklenicilerin tasarıma ciddi müdahalelerde bulunması ile ya da tasarımcının katı şartlar dayatması sonucu proje bütçesinin etkilenmesi ile sonuçlanır. Bu anlaşmazlıkların ortaya çıkması normaldir, çünkü tasarım ve imalat süreçleri birbiriyle yakından ilişkilidir. İmalat süreci göz önünde bulundurulmadan yapılan tasarımların, proje takvimini ve bütçesini etkilemesi kaçınılmaz olacaktır. Serbest eğrilikli geometrilerin rasyonelleştirilmesi için kullanılan yöntemlerden biri panelleme yöntemidir. Simetrik olmayan karmaşık yapılı biçimlerin panellenmesi genelikle her bir panelin özel boyut ve açılarda oluşmasına yol açar ve her panelin ayrı bir imalat sürecine tabi tutulması gerekliliği mali bir yük getirir. Özel panel sayısının düşürülmesi ve tekrar eden elemanların arttırılması serbest eğrilikli formlarda maliyeti azaltan önemli bir etkendir. Fakat serbest eğrilikli geometrilerde özel panel sayısının düşürülmesi ve tekrar eden elemanların arttırılması üç türlü mümkün olabilir. Birinci ihtimalde, tasarlanan biçimden fedakarlık edilecek ve tamamen örtüşen kenar birleşimleri ile bir panelleme sonucu elde edilecektir. İkinci ihtimalde, panellerin birbirleri üzerine bini yapmasına izin verilecek, eş panellerin farklı miktarlarda birbirleri üzerinde bini yapmaları ile panel çözümüne ulaşılacaktır. Üçüncü ihtimalde ise birbiriyle yakın geometrik özellikler gösteren paneller kümelenecek ve her küme için standart bir panel geometrisi belirlenecektir. Fakat bu şekilde kümelenme sonucu oluşan panellemelerde paneller arası boşluklar kabul edilmelidir. Panelleme farklı geometrilerle yapılabilmektedir ve farklı geometrilerin panelleme sonucu kullandıkları malzeme miktarları değişkenlik göstermektedir. Dahası, panelleme geometrisi genellikle strüktür geometrisini belirlediğinden, yapılacak olan panelleme çözümü tasarımın taşıyıcı performansını da etkilemekte, taşıyıcı tonajını değiştirmektedir. Dolayısıyla, bu çalışmada farklı panelleme çözümlerinin maliyet çalışmaları yapılırken çoklu faktörlerin bir arada değerlendirilmesi gerekliliği vurgulanmıştır ve farklı geometrideki panelleme alternatiflerinin malzeme kullanımlarının enegre bir şekilde analiz edilmesi önerilmiştir. Dahası, farklı geometri alternatiflerinin, tasarımın mimari kimliğini ciddi bir şekilde etkilediği de göz önünde bulundurulursa, bu analizlerin tasarım geliştirme sürecinde, tasarımcı ekip tarafından yapılması önerilmiştir. Çoklu faktörleri aynı anda düşünmek ve bunların analizlerini yapmak aslında mimarlar için yeni bir durum değildir. Eskiz ile yapılan tasarım süreçlerinde, tasarımcıların kağıda fikirlerini yansıttıkları, farklı faktörleri göz önünde bulundurarak değiştirilmesi-düzenlenmesi gereken yerleri fark edip tasarımlarını geliştirdikleri bilinmektedir. Eskiz üzerinde devam eden bu tasarım süreci tasarımcının kendisiyle kurmuş olduğu bir diyaloğa benzetilir. Fakat serbest eğrilikli geometrilerin tasarım süreçlerinde çoklu faktörlerin göz önünde bulundurulması için bilgisayar desteğinin gerekliliği belirtilmiştir. Bilgisayar destekli tasarım teorisi çalışmalarında; eskiz ortamında tasarımcı ve tasarım arasında gerçekleşen etkileşim bilgisayar ortamında yeniden kurgulanmaya çalışılmıştır. Eskiz ve tasarımcı arasında gerçekleşen etkileşim esnasında, tasarımcının içsel, yoruma açık ve tecrübelerine dayalı ifadeleri tasarım değerlendirme sürecini oluşturur. Fakat bilgisayar ve tasarım arasında gerçekleşen etkileşimlerin farklı bir yaklaşım ile sağlanması gerektiği belirtilmiştir. Tasarımcının, bilgisayar ile kurmuş olduğu etkileşimde, tasarımcı form oluşumunu kontrol ederken, değişen forma dair performans değişikliklerinin sistem tarafından açık ve nicel verilerle tasarımcıya sunulması beklenmektedir. Bu çalışmada, serbest eğrilikli geometrilerin panellenme süreçlerinde, tasarımcı tarafından yeni panelleme alternatifleri geliştirilirken bu alternatiflerin taşıyıcı ve panelleme malzeme kullanımları hakkında geri-besleme alabileceği bir entegre algoritma geliştirilmesi hedeflenmiştir. Ayrıca, serbest eğrilikli geometrilere aşina olmayan tasarımcılara, bu geometrilerin eğrilikleri, bilgisayar ortamlarında temsilleri ve fiziksel gerçeklikte imalat yöntemleri ile ilgili temel bilgilerin aktarılması hedeflenmiştir. Dahası, parametrik tasarım araçlarına hakim olmayan tasarımcıların da yararlanabilmeleri için algoritma düzeneği basitleştirilmiş, tasarımcı ve algoritma arasında diyalog kuran bir arayüz geliştirilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde, serbest eğrilikli biçimler; eğrisel nitelik, dijital temsil ve fiziksel imalat olarak üç başlıkta incelenmiştir. Öncelikle, serbest eğrilikli yüzeylerin eğrisel nitelikleri anlaşılmalıdır. Bu bağlamda, prensip eğrilik, gauss eğriliği ve ortalama eğrilik kavramları açıklanmış, bu kavramlar doğrultusunda eğrisel niteliklerin sınıflandırılması açıklanmıştır. Çalışmanın devamında, serbest eğrilikli yüzeylerin dijital ortamlardaki temsilleri sunulmuştur. NURBS tabanlı yüzey temsillerinin biçim kontrolünü sağlayan kontrol noktası, derece ve ağırlık değerleri açıklanmıştır. Mesh tabanlı yüzey temsillerinin biçim kontrollerini sağlayan, köşenoktaları, kenarlar ve çokgen geometrisi kavramları açıklandıktan sonra NURBS ve Mesh temsillerinin birbirlerine dönüştürülme imkanları hakkında bilgi verilmiş, iki temsil biçiminin hangi alanlarda kullanıldığına dair karşılaştırma yapılmıştır. Sonrasında, serbest eğrilikli yüzeylerin imalat yöntemleri, bu yüzeyleri oluşturan taşıyıcı ve yüzey kaplaması olarak iki başlıkta incelenmiştir. Serbest eğrilikteki taşıyıcı sistemler, sistemi oluşturan elemanların boyutlarına ve yük aktarım karakterine bağlı olarak üç başlıkta incelenmiştir: üç boyutlu elemanlardan oluşan sistemler, iki boyutlu elemanlardan oluşan sistemler ve tek boyutlu-çizgisel elemanlardan oluşan sistemler. Sonrasında, panelleme teknikleri, yüzeyi oluşturan panellerin eğriliği göz önünde bulundurularak; çift eğrilikli, tek eğrilikli ve düzlemsel paneller olarak üç başlıkta incelenmiştir. Düzlemsel paneller ise, kenarları birbiriyle örtüşen paneller, birbiri üzerine bini yapan paneller ve aralarında boşluk bulunan paneller olarak üç ayrı grupta incelenmiştir. Ayrıca, panelleme tekniğinde yaygın olarak kullanılan üç geometri seçeneği olan üçgen, dörgen ve altıgen grid geometrileri incelenmiş, her üç geometri için panel maliyeti ve taşıyıcı sistem maliyetleriliteratürden edinilen bilgiler doğrultusunda karşılaştırılmıştır. Farklı geometri seçeneklerinin, panelleme ve taşıyıcı sistem maliyetlerinde gösterdikleri sonuçların paralel olmadıkları vurgulanmıştır. Çalışmanın üçüncü bölümünde, paralellik göstermeyen farklı geometrilerdeki grid çözümlerinin panelleme ve taşıyıcı sistem maliyetlerinin bir arada ve entegre bir şekilde değerlendirilebileceği bir algoritma geliştirilmiştir. Çalışma, Rhinoceros yazılımının görsel programlama arayüzü olan Grasshopper üzerinde geliştirilmiştir. Algoritma 3 modülden oluşmaktadır, bunların ilki panelleme alternatiflerinin oluşturulmasında, diğer ikisi ise oluşturulan alternatiflerin değerlendirilmesinde kullanılmaktadır. İlk modül, tasarım yüzeyinde grid oluşturulması ve bu oluşturulan grid çözümünün optimizasyonunu içerir. İkinci modülde makine öğrenmesi algoritmaları ile optimize edilmiş olan grid çözümü üzerinde panel kümeleri oluşturulur, her küme için standardize edilmiş bir panel geometrisi belirlenir. Üretilen standart panellerin kesim şemaları optimize edilerek brüt malzeme kullanımıhesaplanır. Üçüncü modülde ise, optimize edilmiş grid çizgileri taşıyıcı elemanlar olarak değerlendirilir ve taşıyıcı sistem analizi gerçekleştirilir. Yeterli performans gösteren profil kesiti ayarlanarak, toplam taşıyıcı sistem ağırlığı hesaplanır. Geliştirilen üç modül, üç farklı grid seçeneği olan üçgen, dörtgen ve altıgen geometriler için yeniden tanımlanmıştır. Ve oluşturulan üç geometri seçeneği için oluşturulan üç modül bir kullanıcı arayüzü üzerinde entegre edilmiştir. Tasarımcı, yalnızca arayüzü kullanarak, yeni alternatifler üretebilir, bu alternatiflerin farklı malzemeler ile panellenmesini test ederek, malzeme kullanımı ve taşıyıcı ağırlığı değerlerini elde edebilir. Arayüz geliştirme tamamlandıktan sonra, üç farklı geometri için iki farklı boyutta grid alternatifleri oluşturulmuş ve oluşan bu altı grid alternatifi dört farklı malzeme ile test edilerek yirmi dört farklı panelleme senaryosu oluşturulmuştur. Sonuçlar karşılaştırıldığında, farklı panelleme senaryolarının birbirlerine paralel sonuçlar göstermediği, dahası genellemeler sonucu ortaya çıkarılan önkabullerle tamamen örtüşmediği görülmüştür. Sonuçlar, çalışmanın başında ifade edilen, 'serbest eğrilikli yüzey imalatlarında, geleneksel eskiz tasarım süreçlerinde olduğu gibi ön kabullere ve yorumlara bağlı değerlendirmeler yerine, açık ve nicel verilerle değerlendirilmesi gerekliliği' iddiasını doğrulamaktadır.