Design and computational optimization of a kinetic facade / Kinetik bir cephenin tasarımı ve hesaplamalı optimizasyonu

Abstract

Bina cephesi, ısı kaybından ve aşırı ısınmadan sorumlu olduğu için enerji tüketimi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Bu nedenle, mimarlar cephe tasarlarken sadece estetik kriterleri değil aynı zamanda kullanıcıların konforunu, çevre koşullarını, aydınlığı, parlamayı ve güneş ışınımını da göz önünde bulundurmalıdır. Günümüz mimarisi, bina cephe tasarımı için değişen çevresel koşullara ve kullanıcı ihtiyaçlarına cevap verebilecek yeni bir yaklaşım aramaktadır. Kinetik cephe sistemleri, yukarıda belirtilen gereklilikleri karşılamada önemli bir rol oynadığından işlevsel olarak etkin çözümler sunabilir. Kinetik cephe, kullanıcı ihtiyaçlarına ve değişen çevre koşullarına cevap olarak bina yüzeyinde harekete izin veren bir sistem olarak tanımlanabilir. Bu, kinetik cephenin adaptasyon sürecinin bir yoludur. Bu tezin temel amacı, sürekli değişen koşullara uyum sağlayabilecek yeni bir kinetik cephe sistemi geliştirmektir. Bu amaçla, ilk olarak önerilen kinetik cephenin parametrik bir modeli oluşturulmuştur. Daha sonra parametrik model, hem bina içindeki aydınlık seviyesi hem de cephedeki güneş ışınım seviyesi için optimum sonuçları elde etmek amacıyla "Çok Amaçlı Evrimsel Optimizasyon" tekniklerinin uygulandığı simülasyonlarda kullanılmıştır. Bu sayede, çalışmanın bir diğer odağı olan hesaplamalı optimizasyon kullanılarak daha verimli kinetik cephe sistemi geliştirilmiştir. Bu tezde, kinetik cephe altıgen şekle sahip düzenli tesselasyon tekniğine göre tasarlanmıştır. Önerilen kinetik cephe, herhangi bir yöne bakan tüm bina cephelerinde uygulanabilmektedir. Cephenin esnekliği ve hareketliliği sayesinde kullanıcı konforu için işlevsel, etkili ve verimli çözümler sunmaktadır. Building facade has a significant impact in energy consumption since it is responsible for heat loss and over-heating. Thus, architects should consider not only the aesthetic criteria but also the comfort of users, environmental conditions, illuminance, glare and solar radiation when designing a facade. Today's architecture seeks for a new approach for designing building facade that can adapt to changing environmental conditions and occupants' needs. Kinetic facade systems can provide functionally efficient solutions since they play a key role to meet the aforementioned requirements. A kinetic facade can be described as a system that allows movement on the building surface in response to user needs and changing environmental conditions. This is a way of adaptation process of the kinetic facade. The main objective of this study is to develop a new kinetic facade system that can adapt to ever changing conditions. For this purpose, first, a parametric model of the proposed kinetic façade is built. Then, the parametric model is used in simulations applying the "Multi-Objective Evolutionary Optimization" techniques to obtain optimal results for both the illuminance level inside the building and the solar radiation level on the facade. By this means, more efficient kinetic façade system is developed using the computational optimization which is another focus of the study. In this thesis, the kinetic façade is designed based on regular tessellation technique which has hexagonal shape. The proposed kinetic façade can be applied to all building facades facing any directions. Therefore, its flexibility and mobility provide functional, effective and efficient solutions for user comfort.