YBM Destekli Parametrik Yöntemler ile Güneş Enerjisinin Etkin Kullanım Analizi: Al-Shaab Stadyumu Vaka Çalışması

Abstract

Tasarım alanında parametrik tasarım, çeşitli algoritmalar, değişkenler ve sayılardan oluşan farklı durumlara adapte edilebilen ve dinamik bir süreci tanımlar. Algoritmalardaki girilen verilerin değişimine cevap verebilme yeteneği, tasarımcılara yapıları ve formlarını aynı anda optimize etme fırsatı verir. Aynı zamanda girdilerin parametrik yöntemlerle değiştirilmesi, tasarım sürecine de zaman kazandırmaktadır. Aksi halde, tasarımda yapılan revizyonlara bağlı olarak tasarımın baştan yeniden tasarlanması gerekmektedir. Bununla birlikte, özellikle enerji verimliliği sağlayacak bir yapı tasarımı ve strüktürünü inşa etmek ön plana çıkartılmıştır. Kar-maliyet oranlarında düşük maliyet oluşturmak amacıyla güneş planları oluşturulmuş, dolayısı ile maksimum enerji kazançlı yüzerlerin analizini yaparak, verimsiz yüzeylerin tasarım yöntemi ile minimuma indirgenme olanağı analiz edilmiştir. Bunun için kullanılan algoritmik tasarım, binanın görselini modeller ve bina formu için maksimum enerji verimliliği elde etmek amacıyla geometriyi optimize eder. Bina geometrisi tasarımına uygun güneş panellerini tespit etmek için, güneş ışınlarının bina üzerindeki gerçek etkisini modellenme ihtiyacı oluşmuştur. Çalışmanın sonuçlarına ulaşmamıza yardımcı olan temel parametrelerden biri, örnek alınan stadyum tasarımlarının modern talimatlarını kullanma olasılığını keşfetmektir. Bu araştırma, parametrik algoritmalar kullanarak güneşin geometri üzerindeki etkisini göstermek için test edilen iki prototip önerisi arasındaki analizlerin karşılaştırması yöntemine dayanmaktadır. Bu durumda, güneş ışığı simülasyonları sürecinde parametrik algoritmaları oluşturmak için radyasyon, gün ışığı saatleri ve gölgeler için "Grasshopper 3D" yazılımı kullanılmıştır. Parametrik simülasyon aracı kullanılmasının amacı, stadyum için enerji verimliliğini artırmaktır. Bu çalışmada, stadyum tasarım yapısını optimize etmek için üretken tasarım da kullanılmıştır, bu da yapının oluşumunda kullanılan malzeme miktarını ve maliyetlerini önemli ölçüde azaltmaya yardımcı olmuştur. Bu çalışmada, kullanılan Yapı Bilgi Modellemesi (YBM) programı yardımıyla binayı etkileyen güneş enerjisi kazanımları araştırılmış ve çevresel verilerden yararlanılarak enerji kazanç-kayıp hesaplamaları yapılmıştır. Elde edilen veriler ve kabuk tasarım örnekleri karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada, örnek bir yapı tasarımı üzerinden, parametrik tasarım tekniklerin entegrasyonu, inşaat ve mimarlık disiplinlerinin ortak çalışmasına katkıda bulunabilecek altyapı oluşturulması amaçlanmıştır. Alan çalışması olarak Bağdat'taki Al Shaab stadyumu, deneysel bir model olarak ele alınmış, optimizasyon çalışmaları bu model üzerinden yürütülmüştür. 

Keywords

• Parametrik tasarım
• Enerji etkin mimari
• Grasshopper
• Güneş panelleri
• Strüktürel optimizasyon
• Yapı Bilgi Modellemesi (YBM)

Effective Use of Solar Energy with BIM Supported Parametric Methods: Case Study Al-Shaab Stadium

Abstract

In this study, it is aimed to create an infrastructure that can contribute to the integration of parametric techniques and the joint work of construction and architectural science through an exemplary building design. The ability to respond to changes in data entry in algorithms gives architectural designers the opportunity to optimize structures and form at the same time. At the same time, replacing inputs with parametric techniques saves time in the design process. Otherwise, the design will have to be redesigned from the beginning, depending on the periodic change made in the design. In addition to this, it has been emphasized to build a building design and structure that will provide energy efficiency. In order to create low cost in profit-cost ratios, the possibility of minimizing the inefficient surfaces with the design method by analysing the floats with maximum energy gain due to creating solar plans. The algorithmic design used for this is modelled on the visual and optimizes the geometry to achieve maximum energy efficiency for the building form. To find solar panels suitable for the building geometry design, there is a need to model the actual effect of the sun's rays on the building. One of the key parameters that helped us reach the results of the study is to explore the possibility of using modern guidelines of exemplified stadium designs. This research is based on a method of comparing analysis between two prototype proposals tested to show the effect of the sun on geometry using parametric algorithms. In this case, "Grasshopper 3D" software was used for radiation, daylight hours and shadows to create parametric algorithms in the solar effect simulations process. The purpose of using parametric simulation was to increase energy efficiency for the stadium. Additionally, generative design was used for structural optimization. In this study, generative design was also used to optimize the stadium design structure, which helps to significantly reduce the amount of materials used in the formation of the structure and its costs. In this study, with the help of the Buiding Information Modelling (BIM) program used, solar energy gains affecting the building were investigated and energy gain-loss calculations were made by using environmental data. The obtained data and shell design samples were compared. In the study, Al Shaab stadium in Baghdad was evaluated as an experimental model for modelling the reality.

Keywords

• Parametric design
• Energy efficiency
• Grasshopper
• Solar panels
• Structural optimization
• Building Information Modelling (BIM)

References

1. [1] A. Al-Mashhadani (2015). “Story of Al-Shaab stadium. An Iraqi facility was never built like it before.,” Ishtar Channel, [Online]. Available: https://www.ishtartv.com/viewarticle,64637.html.
2. [2] FIFA (2007). “Football Stadiums - Technical recommendations and requirements,” FIFA Fédération Int. Footb. Assoc., [Online].Available:http://www.fifa.com/mm/document/tournament/competition/football_stadiums_technical_recmmendations_and_requirements_en_8211.pdf%5Cnhttp://scholar.google.com/scholar?hl=en&btnG=Searh&q=intitle:Football+Stadiums.+Technical+recommendations+and+requirements.
3. [3] S. G. Attia, “Early design simulation tools for net zero energy buildings : a comparison of ten tools design process &tools of nzeb,” Buildings, pp. 14–16, 2011.
4. [4] P. Caponi, F. Cutroni, and L. Rhode-Barbarigos, “Revisiting the ‘M Stadium’ project by luigi moretti: A forgotten model of parametric architecture,” IASS Symp. 2019 - 60th Anniv. Symp. Int. Assoc. Shell Spat. Struct. Struct. Membr. 2019 - 9th Int. Conf. Text. Compos. Inflatable Struct. FORM FORCE, no. September, pp. 2247–2256, 2019.
5. [5] M. S. Roudsari and M. Pak, “Ladybug: A parametric environmental plugin for grasshopper to help designers create an environmentally-conscious design,” Proc. BS 2013 13th Conf. Int. Build. Perform. Simul. Assoc., pp. 3128–3135, 2013.
6. [6] A. Shiota, A. Tada, S. Yamada, K. Yokozawa, T. Kerdphol, and Y. Mitani, “Construction of Solar Radiation Simulation Database and Solar Radiation Simulation System using GIS and Application to the Agriculture Field,” Acta Sci. Agric., vol. 3, no. 10, pp. 02–09, 2019.
7. [7] P. Shepherd, R. Hudson, and D. Hines, “Aviva Stadium: A parametric success,” Int. J. Archit. Comput., vol. 9, no. 2, pp. 167–185, 2011.
8. [8] W. Khider, (2019). “The story of the design and construction of Al-Shaab International Stadium,” kooora, [Online]: Available: https://bit.ly/3sJIbGV.(1-5-2021)

9. [9] Ali Ismaeel. (2019). “Al-Shuhada Stadium in Iraq. the first environmentally friendly sports project that adopts solar energy.,” [Online]: Available:https://bit.ly/3d9eB7S.(2-5-2021).
10. [10] M. Ramadhan.(2021). “Habibiya stadium in Baghdad,” Rudaw.net, 2021.[Online]: Available: https://bit.ly/3e63wGl.
11. [11] Nidanews, (2020). Al-Shuhada Stadium waiting for the green light to announce the opening., [Online]: Available:https://cutt.ly/2vMMG6e.
12. [12] J. de S. Freitas, J. Cronemberger, and R. M. Soares, “Using rhinoceros plugins grasshopper and ladybug to assess BiPV Façades in Brasília.,” Proc. Build. Simul. 2019 16th Conf. IBPSA, vol. 16, no. July 2020, pp. 4467–4472, 2020.
13. [13] E. Touloupaki and T. Theodosiou, “Optimization of building form to minimize energy consumption through parametric modelling,” Procedia Environ. Sci., vol. 38, pp. 509–514, 2017.
14. [14] C. Sun, H. Giles, and Z. Lian, “Parametric regression model for lighting calibration,” Indoor Built Environ., vol. 25, no. 2, pp. 407–423, 2016.
15. [15] S. Bialkowski, “Topos GPGPU accelerated structural optimisation utility for architects,” vol. 1, pp. 679–688, 2004.