Investigation of Modeling Methods of Kinetic System Building Facades

Öz

The architectural form of a building describes the interaction of the facade with the environment. Kinetic facades, an interactive component, can learn and adapt to user activities and behavior using real-time movements to determine the most appropriate orientation and configuration, providing functions such as thermal and visual comfort, artificial light reduction, solar tracking, and electricity generation. However, when designing kinetic facades, it is necessary to choose the right modeling tools and methods in order to achieve the intended performance in the final product. For this reason, it becomes a necessity to apply different modeling methods to identify high-performance, environmentally friendly alternatives that provide the most appropriate guidance and configuration while creating interactive facade geometry. In the study, firstly, the relationship of parametric design with the kinetic front has been revealed. Afterwards, modeling methods obtained from 20 studies examined from 2000 to 2020 were presented and the advantages of these methods were mentioned. The studies created by using the methods of modeling kinetic facades with parametric design have been examined under two modeling methods as evolutional based models and models created with shape grammars.

Anahtar Kelimeler

• Form Finding
• Kinetic Facade
• Rule Based Design
• Evulational Based Design
• Parametric Design

Kinetik Sistemli Bina Cephelerinin Modelleme Yöntemlerinin İncelenmesi

Öz

Bir binanın mimari formu, cephenin çevreyle etkileşimini tanımlamaktadır. Etkileşimli bir bileşen olan kinetik cepheler, en uygun yönlendirmeyi ve yapılandırmayı tespit etmek için gerçek zamanlı hareketler kullanarak, kullanıcı aktivitelerini ve davranışlarını öğrenebilmekte ve bunlara uyum sağlayarak termal ve görsel konfor, yapay ışığı azaltma, güneş takibi ve elektrik üretme gibi fonksiyonlar sunmaktadır. Ancak kinetik cephelerin tasarlanırken amaçlanan performansın sonuç üründe elde edilmesinin sağlanabilmesi için doğru modelleme araçlarının ve yöntemlerinin seçilmesi gerekmektedir. Bu nedenle, interaktif cephe geometrisi oluştururken en uygun yönlendirmeyi ve yapılandırmayı sağlayan, yüksek performanslı, çevreye duyarlı alternatifler tespit edilmesi için farklı modelleme yöntemlerinin uygulanması bir gereklilik haline gelmektedir. Bu çalışma çevre koşullarına ve tasarım ilkelerine uyum sağlayan çevre dostu kinetik sistemli bina cephelerinin modelleme yöntemlerini sunmaktadır. Çalışmada, ilk önce parametrik tasarımın kinetik cepheyle ilişkisi ortaya konulmuştur. Sonrasında, 2000’den 2020’ye kadar incelenen 20 çalışmadan elde edilen modelleme yöntemleri sunulmuş ve bu yöntemlerin avantajlarından bahsedilmiştir. Kinetik cepheleri parametrik tasarım ile modelleme yöntemlerinden yararlanılarak oluşturulan çalışmalar evrimsel tabanlı modeller ve şekil gramerleriyle oluşturulan modeller olarak 2 farklı modelleme yöntemi altında detaylı olarak incelenmiştir. Çalışma, parametrik tasarım ile oluşturulan kinetik cephe tasarımlarında en uygun cephe geometrisine ulaşılabilmek için uygulanabilecek modelleme yöntemlerine girdi oluşturmakta ve bir çerçeve sunmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Form Bulma
• Kinetik Cephe
• Kural Tabanlı Tasarım
• Evrimsel Tabanlı Tasarım
• Parametrik Tasarım

Kaynakça

1. Alkhayyat, J. 2013. Design Strategy for Adaptive Kinetic Patterns: Creating a Generative Design for Dynamic Solar Shading Systems”, M.Sc thesis University of Salford., Manchester, UK, s. 78–80.
2. Ağırbaş, A. 2019. Façade Form-Finding With Swarm İntelligence, Automation in Construction 99, s. 140-151.
3. Akipek, Ö. F. 2004. Bilgisayar Teknolojilerinin Mimarlıkta Tasarım Geliştirme Amaçlı Kullanımları, Doktora Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mimarlık Ana Bilim Dalı.
4. Akipek, F. Ö. ve İnceoğlu, N. 2007. Bilgisayar Destekli Tasarım Ve Üretim Teknolojilerinin Mimarlıktaki Kullanımları, Megaron Yıldız Teknik Üniversitesi E-Dergisi, Cilt 2, Sayı 4, s. 237-253.
5. Asefi, M. 2012. Transformation and movement in architecture: the marriage among art, engineering and technology, Procedia - Social and Behavioral Sciences 51, s. 1005 – 1010. https://doi.org/10.1016/j.sbspro.2012.08.278
6. Barozzi, M., Lienhard, J., Zanelli, A., Monticelli, C. 2016. The Sustainability of Adaptive Envelopes: Developments of Kinetic Architecture”, Procedia Engineering 155 (275–284), s.1877–7058. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.08.029
7. Cimmino M. C., Miranda R., Sicignano E., Ferreira A. J. M., Skelton R. E., Fraternali F. 2016. Composite solar façades and wind generators with tensegrity architecture, Composites Part B, s. 1-14. 10.1016/j.compositesb.2016.09.077
8. Chu, K. 2006. Metaphysics of genetic architecture and computation, Archit. Des. 76 (4), s. 38–45. https://doi.org/10.1002/ad.292

9. Çakıcı Alp, N. 2011. Binalarda Kullanıcıların Acil Durum Davranışının ve Hareketinin Etmen Tabanlı Bir Model İle Temsili Ve Benzetimi, Doktora Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mimarlık Ana Bilim Dalı.
10. Çavuş, Ö. 2019. Learnıng From Foldıng For Desıgn In Kınetıc Structures In Archıtecture, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Bina Bilgisi, mimarlık Ana Bilim Dalı, Doktora Tezi, Ankara.
11. Fouad, S.M.A.E. 2012. Design Methodology: Kinetic Architecture, Doktora Tezi, Alexandria University, Faculty of Engineering, B.Sc. of Architecture.
12. Grobman, Y. J., Capeluto, I. G., Austern, G. 2016. External shading in buildings: comparative analysis of daylighting performance in static and kinetic operation scenarios, Architectural Science Review. http://dx.doi.org/10.1080/00038628.2016.1266991
13. Hosseini, S. M., Mohammadi, M., Rosemannb, A., Schröderc, T, Lichtenberg, J. 2019a. A morphological approach for kinetic façade design process to improve visual and thermal comfort: Review, Building and Environment 153, s. 186–204. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2019.02.040
14. Hosseini, S. M., Mohammadi, M., Guerra-Santin, O. 2019b. Interactive kinetic façade: Improving visual comfort based on dynamic daylight and occupant's positions by 2D and 3D shape changes, Building and Environment 165, s. 1-15. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2019.106396
15. Juaristi M, Loonen R, Isaia F, G´omez-Acebo T, Monge-Barrio A. 2020. Dynamic Climate Analysis for early design stages: a new methodological approach to detect preferable Adaptive Opaque Facade Responses, Sustainable Cities and Society, s. 1-69. https://doi.org/10.1016/j.scs.2020.102232
16. Keskin, G. 2008. Dijital Form Türetici (Froebel Form Türetici) İle Bir Konut Yerleşkesinin Tasarım Süreci, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mimarlık Ana Bilim Dalı.
17. Khosromanesh, R. ve Asefi, M. 2019. Form-finding mechanism derived from plant movement in response to environmental conditions for building envelopes, Sustainable Cities and Society 51, s. 1-15. https://doi.org/10.1016/j.scs.2019.101782
18. Kormaníková, L., Kormaníková, E., Katunský, D. 2017. Shape Design and Analysis of Adaptive Structures, Procedia Engineering 190, s. 7 – 14. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.05.300
19. Li, S., Fang, H., Sadeghi, S., Bhovad, P., & Wang, K.-W. 2018. Architected Origami Materials: How Folding Creates Sophisticated Mechanical Properties. Advanced Materials, 1805282. https://doi.org/10.1002/adma.201805282
20. Mahmoud, A. H. A. ve Elghazi, Y. 2016. Parametric-based designs for kinetic facades to optimize daylight performance: comparing rotation and translation kinetic motion for hexagonal facade patterns, Solar Energy 126, s. 111–127. https://doi.org/10.1016/j.solener.2015.12.039
21. Matheou, M., Couvelas, A., Phocasa, M. C. 2020. Transformable building envelope design in architectural education, Procedia Manufacturing 44, s. 116–123. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2020.02.212
22. Pesenti, M., Masera, G., Fiorito, F. 2015. Shaping an origami shading device through visual and thermal simulations, Energy Procedia 78, s. 346–351. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.11.663
23. Radwan, G.A.N. ve Osama, A.N. 2016. Bıomımıcry, an approach, for energy effıcıent buıldıng skın desıgn, Procedia Environmental Sciences 34, s. 178–189. https://doi.org/10.1016/j.proenv.2016.04.017
24. Razzaghmanesh, D. 2015. Impact Of Parametrıc Desıgn On Desıgnıng Performatıve Facades (Parametrik Tasarımın Performatif Cephe Tasarımı Üzerine Etkisi), Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mimarlık Ana Bilim Dalı.
25. Schieber, G., Born, L., Bergmann, P., Körner, A., Mader, A., Saffarian, S., Betz, O., Milwich, M., Gresser, G.T., Knippers, J. 2017. Hindwings of insects as concept generator for hingeless foldable shading systems, Bioinspiration Biomimetics 13 (1) 016012, s. 1-20. https://doi.org/10.1088/1748-3190/aa979c
26. Schleicher, S., Lienhard, J., Poppinga, S., Speck, T., Knippers, J. 2015. A methodology for transferring principles of plant movements to elastic systems in architecture, Computer Aided Design 60, s. 105–117. http://dx.doi.org/10.1016/j.cad.2014.01.005
27. Shahin, H. S. M. 2019. Adaptive building envelopes of multistory buildings as an example of high performance building skins, Alexandria Engineering Journal 58, s. 345–352. https://doi.org/10.1016/j.aej.2018.11.013
28. Sheikh, W. T. ve Asghar, Q. 2019. Adaptive biomimetic facades: Enhancing energy efficiency of highly glazed buildings, Frontiers of Architectural Research 8, s. 319-331. https://doi.org/10.1016/j.foar.2019.06.001
29. Singh, V. ve Gu, N. 2012. Towards an integrated generative design framework, Des. Stud. 33 (2), s.185–207. https://doi.org/10.1016/j.destud.2011.06.001
30. Tabadkani, A., Shoub, M.V., Soflae, F., Banihashem, S. 2019. Integrated Parametric Design Of Adaptive Facades For User's Visual Comfort, Automation in Construction 106 102857, s. 1-19. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2019.102857
31. Terzi, N. 2019. Mimarlıkta Hesaplamalı Teknolojiler ve Geometri, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mimarlık Ana Bilim Dalı.
32. Tok, H. 2008. Gramer Tabanlı Mimari Tasarım: Mardin’de İlköğretim Okulu Tipolojileri, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mimarlık Ana Bilim Dalı.
33. Wang, J., Li, J., Chen, X. 2010a. Parametric Design Based on Building Information Modeling for Sustainable Buildings, Challenges in Environmental Science and Computer Engineering [Konferans Sunumu], 2. 236-239. 10.1109 / CESCE.2010.285
34. Wang, J. ve Li, J. 2010b. Bio-inspired Kinetic Envelopes for Building Energy Efficiency based on Parametric Design of Building Information Modeling, Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference, APPEEC. 10.1109 / APPEEC.2010.5449511
35. Yang, X. S. ve Karamanoglu, M. 2013. Swarm Intelligence and Bio-Inspired Computation: An Overview, Theory and Applications, s. 3-23. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-405163-8.00001-6
36. LIFT Architects, 2017 “The Aır Flow (ER)”, http://www.liftarchitects.com/#/air-flower, Erişim Tarihi 04 Ağustos 2020.