Material Based Computation: Composites For A Responsive Façade Design

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Bilişim Enstitüsü, 2014Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Informatics, 2014Değişen ve gelişen dünyada, bilgi tabanlı düşünce sistemlerine ve basit orijinal temellere dayalı çözüm üretme giderek yaygınlaşmaktadır. Tasarım da bağlamından kopuk ve görsel yönü baskın bir ürün olmaktan çıkarılıp, neden oluştuğuna yoğunlaşarak geliştirilmelidir. Malzemenin tasarımın vücut bulmasına katkı sağlayan en önemli etmenlerden biri olması, tasarımın özelliklerinin belirlenmesinde ve kullanım amacında da büyük bir role sahip olmasını gerektirir. Günümüzde yaygın tasarım bağlamından kopuk olarak sadece form görselleştirme üzerine yoğunlaşmış durumdadır. Düşüncenin vücut bulmasında kullanılan malzemeler, bir performans belirleyici olarak değil, belirlenmiş şekilleri niteleyici, görselleştirici olarak kullanılmaktadır. Bu durum üç boyutlu dijital modellerin mantığı ile açıklanabilir. Mimari görselleştirme alanında, öncelikle form belirlenir ve malzemeler o formların uyum içinde görünmesi için map olarak şeklin üzerine atanır. Malzemeler ile ilgili bu tarz kullanım durumları sadece mimari görselleştirmelerde değil, tasarım sürecinde de gözlemlenmektedir. Malzemelerin kalıtsal özellikleri ve sahip oldukları etki-tepki imkanları vardır, fakat bu durum genellikle malzeme için bir dezavantaj olarak betimlenmektedir. Tasarım, sadece bir görselleştirme değil, kullanıcı ile obje, mekan arasındaki ilişkiyi çözümleme ve bu ikililer arasında bağlantı kurma çalışmalarının bütünüdür. Bu bağlantı aşamasında mimarlar, mühendisler, araştırmacıların birlikte bir karar mekanizması oluşturması ve multi-disipliner bir düşünce sistemi ile sonuca ulaşması gerekmektedir. Malzemeler bir araç olmaktan çıkıp, performans belirleyici olarak kullanılmaya başlandığından beri, malzeme potansiyelleri ile ilgili araştırmalar, çalışmalar yapılmıştır. Gaudi, Fuller, Prouvé ve Otto gibi deneysel tasarım yaklaşımcıları gerek mühendislik gerekse görsellik alanında malzemeler ve potansiyellerini incelemiş ve performans belirleyici etkenler arasında malzemelerin de olduğu örnekler ortaya koymuşlardır. Örnek olarak Antoni Gaudi, mimari çalışmalarını öncelikle 1/1 ya da 1/20 gibi ölçeklerde ve orijinal malzemelerle fiziksel model yaparak test etmiş ve malzemelerin dayanımlarına göre taşıyıcılık gibi problemleri, içinde bulunduğu döneme göre sıra dışı bir şekilde çözümlemiştir. Malzemelerin davranışlarının olmasının dezavantaj olduğu bir dünyadan bu potansiyelin avantaja dönüştürüldüğü bir dünyaya yönelim, hem tasarım hem de mühendislik alanlarında ilerlemeye yol açmaktadır. Hesaplanabilir malzemeler ve hesaplamalı tasarım süre gelen bir çalışmadır ve uzun yıllardır üzerine farklı araştırmalar, projeler yapılmıştır. Fakat teknolojinin gelişim ivmesinin artmasıyla hesaplamalı tasarımlar gelişmiş ve yapım öncesi süreçte performans ve çalışma ilkelerine ışık tutmuştur. Kullanıcı etkileşimli tasarımlar, günümüzde yaygın olarak kullanıldığı gibi, sadece bilgisayar sistemleri ile değil, malzeme davranışları ile de elde edilebilir. Dinamik, kullanıcı ve çevresel etkenlere göre form değiştiren, farklı kullanım potansiyelleri sunan tasarımlar, geleneksel çizgiden birçok anlamda uzaklaşmayan tasarım dünyasına yeni yönler çizebilir. Yapılı çevrede bir inceleme yapıldığında kullanıcı ve çevre ile direkt ilişkili olan en büyük yapı elemanı olarak cepheleri görürüz. Cephe sadece bir kabuk değil, aynı zamanda bina performansını büyük oranda belirleyen, iç ortam ile dış ortam arasında bir dengeleyici olan, tüm bina sistemleri ile doğrudan ilişkili olan ve bütün bunların yanında estetik kaygıları da olan bir yapı elemanıdır. Kullanıcı ve çevre ile doğrudan ilişki içinde olması nedeniyle, bu tez kapsamında malzeme potansiyelleri bir cephe önerisi geliştirilerek tarafımdan incelenmiştir. Sürdürülebilirlik, kaynakların dengeli kullanımı ve doğal yaşamın sağlıklı devamını sağlamak için, hızlı tüketim ve değişimler yaşadığımız bu dönemde öncelikli ve büyük önem arz etmektedir. Bu nedenle kullanılan malzemelerin doğal kaynaklı olup olmamaları ve çevreye verdikleri zarar ya da çevreye olan katkıları, tasarım kimliğinde önemli etkenlerden biri olmalıdır. Birçok malzeme, etki alanının ve özelliklerinin arttırılması, aynı zamanda da içsel davranışlarının, tepki mekanizmasının nötrlenmesi için farklı katkı maddeleri ile birleştirilmekte ve doğallıktan, yeniden kullanılabilme özelliklerinden mahrum bırakılmaktadır. Fakat malzemeler, özelliklerinin geliştirilebilmesi için doğal yollarla birbirleri ile bağlanabilir ve bileşik (kompozit) malzemeler oluşturulabilir. Arttırılmış etki alanı ve özellikler, günümüz tasarım ve uygulama alanlarında öncelik kazanmışlardır. Fakat kompozitler sadece farklı malzemelerin birbirine entegrasyonu ile mi oluşturulur? Yoksa aynı malzemenin farklı özelliklerdeki türlerini bir araya getirerek de kompozit malzemeler ve arttırılmış performanslar elde edilebilir mi? Tez kapsamında, gerek aynı başlık altında olduğu malzemelerin doğaya zararlarının aksine tamamen geri dönüştürülebilir olması, gerekse araştırmaları süregelen ve gelişen bir malzeme olması nedeniyle biyoplastikler incelenmiştir. Biyoplastikler tamamen doğal malzemelerin birleşimi sonucu elde edilen, katkısız olanlarının %100 geri dönüştürülebilir olduğu bir sınıftır. Ayrıca içeriğine eklenen malzemelerin oranlarının değiştirilmesi ile farklı fazları ve potansiyelleri ortaya çıkmaktadır. Gliserin, nişasta, sirke ve su kullanılarak evde basit örneklerinin üretilebileceği bu malzeme oranlara göre yumuşak, sert, geçirgen, yarı geçirgen gibi özelliklere sahip olabilmekte, sertlik derecesine göre hem taşıyıcılık özelliği kazanmakta hem de şekil değiştirme potansiyeline sahip yumuşak bir ürün olabilmektedir. Malzeme özelliklerinin hesaplanabilir ortamlarda devam ettirilmesini ve yeni çeşitlemelerinin oluşturulmasını, aynı zamanda içsel özellikler ve etki-tepki mekanizmasının kullanılmasıyla kullanıcı etkileşimli mekanlar kurgulanmasını öngören bu tez kapsamında öncelikle biyoplastikler ile ilgili literatür araştırması yapılmış ve bugüne kadar üretilen örnekler incelenmiştir. Kullanım alanının son dönemlerde arttığı bu malzemenin, dünya genelinde sayıca çok az bir oranda yapı elemanı olarak kullanıldığı gözlemlenmiştir. Fakat son yıllarda çeşitli oranlar denenerek malzeme ömrü ve statik yapısı iyileştirilmiş ve farklı yapı ölçeklerinde, pavilyonlarda kullanılmaya başlanmıştır. ITKE (Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen) tarafından yapılan Arboskin, biyoplastiklerle üretilmiş bir cephe tasarımıdır. Fiziksel deneylerde malzeme, farklı oranlar denenerek ve ek katkı maddeleri ile birleştirilerek denenmiştir. Sabun, toz jelatin gibi katkılarla istenilen performanslara ulaşım sağlanmıştır. Bir biyoplastik karışımına eklenen toz jelatin, malzemenin dayanımını oldukça arttırmakta ve zar kalınlığında da kullanım alanları oluşturmaktadır. Sabun vb. eklentiler ise köpürme sonucu malzemenin belli alanlarında boşluklu bir yapı oluşturulmasına ve performansının arttırılmasına yardımcı olmuştur. Fiziksel deneylerin ve malzemenin temel etki alanı ve limitlerinin belirlenmesinin ardından, varyasyonların üretilmesi ve potansiyellerin ölçülmesi için, hesaplanabilir ortamda çalışmalar yapılmıştır. Hesaplanabilir modeller, basit üç boyutlu modellerin aksine, bilgi içerikli ve sebep sonuç ilişkisi altında kurgulanmış bir çeşit simülasyonlardır. Teknolojinin gelişimiyle yaygınlaşan bu programlar, yapım aşamasından önce hem bütün detayları görebilmemize hem de olası tehlikeleri önceden sezebilmemize de yardımcı olmaktadır. Rhinoceros 3 Boyutlu modelleme programı ve Grasshopper eklentisi kullanılarak oluşturulan biyoplastik cephe önerisinde 2 farklı modelleme yapılmıştır; 1- Esnek ve uyarlanabilen, yumuşak malzeme modeli. 2- Dayanımı yüksek, taşıyıcı özellikli malzeme modeli. Bu iki farklı sınıfın birlikte çalışması ve bir yapı elemanı kompoziti oluşturması için farklı varyasyonlar denenmiştir. Biyoplastiklerin istenildiğinde edinilebilen esnek yapısı, cephe sisteminin devinimini oluşturan sistem olarak kurgulanmıştır. Grasshopper kodu kullanılarak yapılan tasarımda çeşitli etki noktaları belirlenmiş ve malzemenin bu noktalardan şişkinleştiği modellenmiş ve tehlike sınırları gözlemlenmiştir. Taşıyıcı olarak kullanılabilen, yüksek fiziksel dayanımlı malzeme modelinde ise, dış ortamdan alınan farklı etkilere göre pozisyon değiştirme ve buna adaptasyon yeteneği sorgulanmıştır. Cephe tasarımının genel yaklaşımında ise günün farklı zamanlarında dış etkenlere, kullanıcı, hava sıcaklığı gibi etkileyicilere göre pnömatik bir sistem oluşturan, şiştikçe saydamlığı arttırıp görsel ilişkiyi arttıran ve ışık geçişini sağlayan, havası indikçe de opaklığı artan ve hem görsel ilişkiyi hem de geçiş oranını azaltan bir cephe kurgulanmıştır. Malzemeler, sadece görsel bir obje olmanın çok ötesinde, yakın çevresine kendi kurallarını gösterebilecek ve buna göre etkileşime girerek yeni formlar oluşturabilecek potansiyele sahiptir. Bu nedenle malzeme kullanımları ve araştırmaları, disiplinlerarası ortamlarda ve performans tabalı olarak yapılmalıdır. Tez kapsamında yapılan çalışmanın gelecek senaryolarında, bu işleyiş yönteminin farklı malzemeler ve kombinasyonlarla da denenmesi ve oluşturulan bileşiklerin çeşitliliğinin arttırılması hedeflenmiştir. Hesaplanabilir ortama aktarılma aşaması öncesinde yapılan fiziksel deneylerin rastlantısal ilerleme potansiyeli ve form oluşturma özellikleri incelenmeli ve bu rastlantısallığı dijital ortamda da belirlenen parametreler altında kurgulanabilmesi sağlanmalıdır. Tez, malzeme potansiyellerinin etkin ve doğru kullanımı sonucunda, sürdürülebilirliğin artması, kullanıcı etkileşimli, form değiştiren, tepki veren tasarımların vücut bulması ve tüm bu gerçekliğin bilgisayar ortamında da sunulabilmesi için bir ön çalışma olarak öngörülmüştür.Materials are at one of the main intersections between different disciplines, such as architecture, engineering, and chemistry. Collaboration among these disciplines allows the use of materials in architecture not as givens but as dynamic input, with their inherent behaviors. Collaborative work supports innovative and interactive design performance by taking advantage of the inherent behaviors of materials reacting to the changes in the environment. It is necessary especially in performance defining phase, to gain maximum performance and desired appearance at the same time without using any additional systems. Basic 3D programs help designers to visualize the design and in some cases test the performances, however. They usually do not go beyond the borders to explore the emergence potential of inputs. The logic of the model is often limited with shapes and creates a visual relation with shapes via materials. This overlooks the potential of materials to rule their environment and create responsive, interactive designs, if they are used as performance-based elements. The performance based use of materials that allows for interactivity and reactions, helps to create flexible spaces without the dictation of a use for a specific aim. Materials can be combined together to augment the influence of both homogeneous and continuous reactions to the environment. The reaction of a material to a condition creates a movement in the architectural component, however if environmental condition is continuous, this movement can turn into a motion that gives a performance based working discipline to the design. This thesis has aimed to create a façade system with composites to start a discussion on the physical behaviors of materials, on digitally simulating these behaviors and creating digital emergences. A façade is a building component that is in a relation with both the inside and the outside. It should be designed as performance based besides being aesthetically valuable. A façade should have a relation with the other building elements, while being an interface between two environments. A façade is the most convenient element in a building to have motion and to be multifunctional, and to give shape to space as part of its performance. Material computation is an ongoing and fast developing area of study in architecture. The notions of responsive, kinetic, and sustainable design in architectural applications require an increased use of computational tools. Material computation allows for iterations and variations by combining the physical and chemical specifications of materials. Those iterations may help natural materials and sustainable systems, to take the place of performative chemicals via providing the same properties with them. Exploring new combinations for performance through both physical and computational experiments leads to a sustainable design without the use of any harmful chemicals and without unnecessary energy consumption. In the thesis, bioplastics are used to create the combinations that create the façade system proposal. The criterion of the composite is for it to be consisting of multi-layers of the same material, which can be varied in density. After a literature study of materials, façade systems, bio plastics and computation, observations are made while testing the physical capabilities of bioplastics. Bioplastics are biodegradable and sustainable materials, widely used in product design. Although the examples of their use in building elements are limited, there are a few examples such as. Arboskin, created by a collaborative work of ITKE (Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen - Institute of Building Structures and Structural Design) students. However, these examples are assuring in the use of bioplastics in façade designs, they usually do not make use of the flexibility of the material. Bioplastics can be used as solid outputs and/or soft, flexible elements, they have the potential of being the load bearing system of its own while being a flexible component of the design. Using one material both as a structural system and the skin allows for extending the area of use according to desired performances. In the physical experiments, bioplastic' possibilities and the potentials of probable composites are observed and a small database of material behaviors is noted. The database is created by collecting the results of physical experiments of bioplastics, which are aimed to test the material phases and densities of bioplastics. After physical experiments, the acquired data on bioplastics is used for computation. Unlike basic 3D models, computation refers to an information-based model from which the data of the design can be extracted. In the scope of the study, four 3D computational models are generated to simulate the observed potential of both solid bioplastics and soft bioplastics. Models are generated by using the result data of physical experiments. Computational tools have evolved and varied. They allow for digital testing and iterations of design under observed properties and behaviors of materials. Computation is used not only for the design phase but also to predict probable problems for the construction. The computational models that are created for this thesis test the pneumatic system of soft skin that are created by physical properties of soft bioplastics leaves, and the variable adaptation of the solid skin is tested. A surface is defined in Rhinoceros platform with Grasshopper and is inflated to gain pneumatic pillows that change the thickness of the material by inflating or deflating. The structure of the composite, the solid part, is accepted as the limit of the pneumatic system and protects the system to inflate more than it can. The Grasshopper definition is used to test the inflation level. The shape of the solid part directly affects the shape of the soft part. A few attractor points are generated in the model to serve as, the peak points of the pneumatic pillows that simulate the inflation and are limited by the solid body. A gradient tool is added to the system to see the limit of inflation. The façade proposal creates a building element that interacts with the user and the environment that creates a motion according to external forces. As the pneumatic pillow inflates the thickness of the soft skin decreases and the transmission level of a pillow increase in contrast to the thickness. The decrease in thickness allows for visual communication between two separated environments. On the contrary, as the pillow deflates, the thickness turns into its original value and the visual communication decreases. The thesis aims to combine knowledge from different disciplines to achieve maximum performance and emerging "performative and interactive architecture" via gained performances. Multidisciplinary work on materials leads to an increase on performance of materials and composites. The increasing use of composites and the potentials of materials based on inherent behaviors trigger environmentally sensitive design developments. Materials withhold the potential for designers to achieve desired performances in building elements without any environmentally harmful solutions that only give the material stability and visual aesthetics that limit the responsiveness of the design at the same time. With cross-disciplinary knowledge that guides innovative combinations, choices, responsive composites can be generated, and multi-functional, reusable, dynamic spaces can be designed beyond selective exhibitions to widespread use in daily life. The approach in the thesis does not limit itself to its main domain, but utilizes knowledge from other domains.Yüksek LisansM.Sc