Kabuk Yapıları İçin Evrimsel Algoritma Tabanlı Parametrik Tasarım Önerisi


Creative Commons License

Er İ. E., Tong T.

MİMARLIKTA SAYISAL TASARIM_MSTAS2022 XVI. ULUSAL SEMPOZYUMU, Eskişehir, Türkiye, 22 - 26 Haziran 2022, ss.474-484

  • Yayın Türü: Bildiri / Tam Metin Bildiri
  • Basıldığı Şehir: Eskişehir
  • Basıldığı Ülke: Türkiye
  • Sayfa Sayıları: ss.474-484
  • Yıldız Teknik Üniversitesi Adresli: Evet

Özet

Kabuk sistemleri, az malzeme ile geniş açıklıkları geçebildikleri için mimarlar tarafından yıllarca ilgi duyulan bir konu olmuştur. Kabuk sistemleri geniş açıklıkları geçebilmenin yanında serbest formların üretimine de imkân sunarken karmaşık yapıları birçok tasarım zorluğunu da beraberinde getirmektedir. Bu durum, tasarım gereksinimleri karşılayabilen bir form arayışını doğurmaktadır. Form arayışı için başlarda fiziksel modellemeye dayalı yöntemler kullanılırken, parametrik tasarım araçlarının gelişimi ile fiziksel modellere alternatif olarak “Dinamik Gevşeme” gibi dijital form bulma yöntemleri geliştirilmiştir. Dijital yöntemler mekanik yöntemlere göre daha hızlı olsalar da parametrik tasarım, parametre ve başarımların net bir şekilde tanımlanmasını gerektirmektedir. Kabuk yapılarının tasarımında yükseklik, statik, maliyet ve estetik gibi birden çok başarım göz önünde bulundurulmak zorundadır. Bu sebeple kabuk yapılarında çok hedefli optimizasyon, birçok farklı araştırmanın da odak noktası olmuştur. Evrimsel algoritmalar birden çok başarım için optimizasyon imkânı sunabildikleri için çok hedefli optimizasyon problemleri için en çok kullanılan yöntemdir. Bu çalışmanın da temel amacı, kabuk yapıları için form bulma optimizasyon işlemini eş zamanlı olarak gerçekleştirebilen parametrik tasarım modeli geliştirmektir. Bu çalışmada, iki boyutlu bir çokgenden yola çıkılarak üç boyutlu düzlemsel panellere sahip kabuk üretimi ve optimizasyonunu ele alınmaktadır. Üretilen kabuk formunun biçim ve maliyet optimizasyonu için evrimsel algoritma kullanılmıştır. Çalışmada önerilen model, üç bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde köşe sayısı belirlenerek iki boyutlu yüzey üretimi yapılmaktadır. Ardından üretilen yüzey panelenerek kabuğun ağ sistemi oluşturulmaktadır. İkinci bölümde “Dinamik Gevşeme” yöntemi kullanılarak ağ sisteminden üç boyutlu kabuk formu üretilmektedir. Son bölümde ise üretilen kabuk formu; maksimum yükseklik, minimum panel maliyeti ve maksimum akışkanlık olmak üzere üç farklı başarım için evrimsel algoritma kullanılarak optimize edilmektedir. Optimizasyon sonucunda üretilen sonuçlar arasından “Pareto Verimliliği” yöntemi ile beş öncül seçilmiştir. Seçilen öncüllerin; akışkanlık, yükseklik ve panel maliyeti açısından değişimleri ile formların açıklık oranları değerlendirilmiştir. Çalışma sonucunda evrimsel algoritmanın, kullanıcıya farklı başarım değerlerine sahip geniş bir çözüm havuzu sunduğu gözlemlenmiştir. Bu sebeple önerilen modelin, tasarımcıya karar verme sürecinde yardımcı olacağı düşünülmektedir.

Shell systems have been a subject to architects for years because they can pass large openings with less material. While Shell systems allow the production of free forms and can span large spans, their complex structures introduce many design problems. This situation leads to the search for a form, called "form finding," that can solve the design problems. In the early days, physical models were used for form finding. With the development of parametric design tools, digital form finding methods such as "Dynamic Relaxation" were developed as an alternative to physical models. Although digital methods are faster than mechanical methods, parametric design requires clear definition of parameters and objectives. When designing shell structures, multiple objectives such as height, static, cost, and aesthetics must be considered. For this reason, multi-objective optimization of Shell structures has been investigated in many different studies. Evolutionary algorithms are the most commonly used method for multiobjective optimization problems because they can provide optimization opportunities for multiple objectives. The main objective of this study is to develop a parametric design model for shell structures that can simultaneously perform form finding and optimization. In this study, the production and optimization of a three-dimensional shell with planar panels starting from a twodimensional polygon is discussed. An evolutionary algorithm was used for shape and cost optimization of the produced shell form. The model proposed in the study consists of three parts. In the first part, the number of corners is determined and a two dimensional surface production is generated. Then, the generated surface is discretized into panels and the mesh system of the shell is formed. In the second part, a three-dimensional shell form is generated from the mesh system using the "Dynamic Relaxation" method. In the last section, the shell form is created and optimized using evolutionary algorithms for three different objectives, namely maximum height, minimum panel cost, and maximum smoothness. From the optimization results, five frontiers were selected for comparison using the "Pareto Front" method. Selected frontiers were evaluated according to the optimization objectives and the opening ratios of the forms. As a result of the study, it was found that the evolutionary algorithm provides the user with a wide pool of solutions with different trade-offs. For this reason, the proposed model is expected to help the designer in the decision-making process.