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