GRONINGEN TWİSTER Bengi Gizem Turna

stanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mimari Tasarım
Yüksek Lisans Programı
Mimari Tasarım ve Teknoloji
GRONINGEN TWSTER
Bengi Gizem Turna
502071049
Groningen Twister
Uygulamalı Üretici Tasarımda Bir Deney
Dipl. Inform. Fabian Scheurer
Bu proje Kees Chistiaanse Architects ve Planners (KCAP-Rotterdam) tasarım
ekiplerinin ve Ove Arup & Partners (Amsterdam) ve ETH Zurih CAAD ortaklııyla 2003
ubatında üretilmitir.
Projenin amacı bir CAD-aracı gelitirerek, KCAP mimarlarına bu karmaık tasarım
problemini çözmelerine yardımcı olmaktır. Problem: Groningen,'in ehir merkezini ana
tren istasyonuna balayan yaya aksının altında yaklaık 3000 bisikletlik bir park alanına
ihtiyaç vardır. Yaya düzlemini desteklemek için arzulanan tasarım, yüzden fazla farklı
büyüklüklerde kolonun rastgele bir örüntüyle yelretirilmesini ve arkasından stürüktürel,
fonksyonel ve estetik gereksinimlere göre kontrol edilmesini gerektirmektedir.
Bu problemi çözmek için, ETH' nin CAAD kürüsünde kolonların büyüme sürecini
simüle eden bir yazılm üretilmitir. Kolonların daılımı Arup mühendislerinin belirledii
stürüktürel kurallar ve KCAP tasarım ekibinin belirledii fonskyonel ve tasarımsal
kurallarla tanımlanmıtır. Sonuçlar kullanıcıya üç boyutlu dinamik ve gelitirilen bir model
olarak sunulmutur. Bu süreçte herhangi bir zamanda kullanıcı ekrandaki modeli
interaktif bir biçimde kontrol edebilir. Kullanıcı bu süreci iki belirgin biçimde kontrol
edebilir; bir yandan eçtii bir kolonun yerleimini dorudan, dier yandan ise kolonları
ve çevrelerini tanımlayan farklı parametreleri ayarlayarak kontrol edebilir. Kolon
yerleimleri deien konfigürasyona adapte olurken sistem gerçek zamanlı geri bildirim
salar. Bu da kullanıcının kısa zamanda farklı alternatifleri denemesini salar. Sabit ve
doyurucu bir kolon yerleim durumu elde edildikten sonra, sonuç ina dokümanları için
farklı dijital formatlarda ihraç edilebilir.
GR
2000 yılında Kees Christianaanse Mimarlık ve Planners (KCAP) ve Kaiserslautern
Universitesi "bottom-top" prensiplerine dayalı kentsel geliime yeni metodlar üretebilmek
için "Kaisersrot" projesine balamıtır. Tasarım kurallarının süratle test edilebilmesine
olanak salamak için kentsel yapıda birbirine baımlılıkları ve tekrarlanarak üretilen
kentsel planları kullanıcı etkileimine göre tanımlayabilmek üzere çeitli CAD yazılım
araçları programlanmıtır. 2001 yılında ETH Zurih'teki CAAD kürüsü ile birleen proje
Arnhem'de "SCHUYTGRAAF" bata olmak üzere birkaç baarılı uygulamayı üretmitir.
2003 balarında KCAP tasarım takımı CAAD kürsüsüne farklı bir problemle yaklaır. Bu
sefer konu kentsel tasarım deil karmaık bir mimari tasarımdır.
Kolonlardan oluan bir orman nasıl tasarlanır
Groningen ehrinde, kuzey Hollanda' da KCAP, tren istasyonunun önündeki
kamusal merkezi yeniden tasarlayacaktır: Groningen Stadsbalkon. ehir merkeziyle
istasyonu birbirine daha iyi balayabilmek adına otobüs teminali kenara kaydırılmı ve
yeni bir yaya dolaım alanına ve bunun altında 3000 bisiklet için park alanına yer
açılmıtır. Son tasarım geni boluklarla aaı ıık alan ve iki büyük aacın bu
boluklardan büyümesine imkan salayan beton düz bir plakadan olumaktadır.
Rampalar ve merdivenler için yırtıkları da vardır. Plakanın bazı kenarları yerle temas
ederken dierleri havaya karıır.
Stürüktürün tamamına hafiflik
kavramını verebilmek için ince beton
kolonlardan oluan bir yüzeyle
desteklenmesi tasarlanmıtır. Düzlemin
karmaık iskeleti, belirlenmi aksları ve
bisiklet tribünü, kolonların düzenli bir gride
oturtulmasını oldukça zorlatırmıtır. Bunun
sonucunda kolonların bir "kolon ormanı"
yaratacak ekilde rastgele yerletirilmesine
karar verilmitir. Bu algıyı güçlendirmek
adına kolonların farklı çaplara ve farklı
egilim açılarına sahip olmalarına karar
verilmitir.
lk kabaca hesaplamalarda, mühendislik takımı Ove Arup üstteki beton düzlemi
taıyabilmek ve bütçe dahilinde kalabilmek için yaklaık 100 kolona ihtiyaç olacaını ön
görmütür. Sıradaki problem: kolonları nereye yerletirmek gerekir? Hem çok fazla
özgürlük derecesi (kolon lokasyonu, eilim açısı, kolon büyüklüü) hem de çok fazla
kısıtlanmı kural (delikler, yırtıklar, sakınılması gereken dorultular, yük taıma
kapasiteleri, optimum kolon mesafeleri) birbirlerini etkileyerek stürüktürel ve estetik
olarak çalıan bir çözümü makul bir sürede üretebilmeye engel olmaktadır.
Büyümelerine izin vermek
Bill Mitchell in 1977 deki " kapsamlı CAAD sistemlerinin iyi tanımlanmı
problemlere otomatik üretilen çözümler gelitirme görevini yerine getirmesi" üzerine
yaptıı açıklama sonrası yapay zekanın tasarım ve mimaride kullanılmasını üzerine
birçok aratırma yapılmıtır. Yapay hayatın prensiplerinin (hücresel otomat, kümeleme
sistemi, ve genetik logoritimalar) mimari tasarımın iyi açıklanmayan problemleriyle (ya da
yeteri kadar tanımlanamayan - estetik gereksinimlere göre) ilgilenmek için makul bir yol
olduu kanıtlanmıtır. ETH Zurih’teki CAAD kürsüsü üretici ve aaıdan yukarı
prensipler alanında Kaisersrot projesi gibi oldukça pozitif deneyimler elde etmitir. Yani
benzer bir çözümün bu probleme de cevap olabilecei açıktır.
Yaam alanı
Kolonların yaam alanı fonskyonel ve konseptsel sınırlamalarıyla daha önce net bir
biçimde açıklanmıtı. Bütün kolonların üst biti noktaları deliklere ve yırtıklara denk
gelmeyecek ekilde beton düzlemin sınırında sonlanmalıdır. Bazı bölgelerde plak yerle
bütünleir yani buralarda kolona
gerek yoktur. Kolonların alt biti
noktaları ise bisilket tribünlerinin
yayaların ve bisiklet sürücülerinin
önüne çıkmamasını
amaçalayacak ekilde yerlemesi
gerekmektedir. Sonuçta yaam
alanı iki katmandan oluur:
kolonların üst ve alt bitilerinde
yerlerini bulmaları gereken tavan
ve taban plakaları. Fig 4 plakanın
ana hatları, çekici alanlar yeil, itici
alanlar kırmızı.
Organizmalar
Kolonlar bir küme sistemindeki parçacıkları temsil
ederler. Her kolon çevresini kefeden ve komularına
tepki veren otonom bir bireydir. Yaam alanının iki
katmanına göre kolon modeli iki baımsız bölümden
oluur. Alt bitii modelin taban düzleminde serbestçe
hareket edebilirken, üst bitite plakla tanımlanan
yüzeyde hareket edebilir. Asıl kolon mevkii, uzunluu ve
eimi, balayıcı çizgi tarafından belirlenir. Ve eim
açısının belirlenmi üst deerden az olması
gerekmektedir.
Bu davranı kaynak-küme-sistemiyle kolayca tanımlanabilir : model Kolonun üst ve
alt biti noktalarını tanımlanmı kitleler ve bunları birbirine balayan kaynaktan oluur.
Bu kaynaın kuvveti kitlelerin hareketleri yaam alanının iki düzlemiyle sınırlı
olduundan yatay mesafeyle orantılıdır ve birbirlerinin üzerine denk gelmeye
yönelmektedirler.
Etkileim
Kolonlar hem çevreleriyle hem de komularıyla aynı çekme ve itme prensiplerini
sanal kaynaklarla takib ederek etkileim içindedirler.Çok yaklaırlarsa tavan kitleleri plak
hattı tarafından itilir. Taban kitleleri en yakın bisiklet tribünü tarafından çekilir.
Kolonların istenilen daılım etkisine sahip olabilmeleri için aralarında belirli bir
"sosyal mesafe" olması gerekmektedir. Bu mesafe taıma kapasitesi, plaın maksimum
yayılım mesafesi ve herbiri kendisinin olan kolonlar tarafından belirlenir. Kolonun taıma
kapasitesi üst biti noktasında bir daireyle tanımlanır, bu da plak üzerinde yükünü
taıyabildii alanı belirtir. Bu nedenle komu kolonlar öyle yerletirilmelidir ki taıyıcı
yarıçapları hafifçe üstüste binsin ya da birbirine dokunsun.
Sonuç dorusal olmayan zaman basamaklı bir simulasyonla analiz edilebilen
karmaık bir kitle ve kaynak sistemidir. Yankılanma felaketini engelleyebilmek ve sürece
bir netice getirebilmek için kolon kitlelerinin hareketini belirli bir sürtünmeye indirgeyen
artı bir sönümleme etmeni de eklenmitir.
Uygulama
Projenin ana amaçlarından biri tasarımcı mimarların dorudan etkileyebilecekleri
ve kararlarının geri bildirimlerini hemen alabilecekleri interaktif ugulamalı bir simulasyon
süreci oluturmaktı. Bu nedenle bütün modelin, tercihen üç boyulu grafiksel bir
gösteriminin olması gerekliydi. Ve uygulama KCAP, ARUP CAAD kürsüsü gibi farklı
ortamlarda kullanılacaı için uyum sorununun da göz önünde bulundurulması
gerekmekteydi. Projenin gelitirilme süresi de oldukça kısıtlıydı ve uzun mesafeler arası
yazılımın yeni versiyonlarını dei toku etmek de gerekmekteydi. Birkaç denemeden
sonra yazılımın Java da programlanmasına karar verildi. Java 3D API oldukça güçlü ve
etkili bir 3d programlama ara yüzüne sahiptir, aynı zamanda açıkça planlanmı ve
kullanılması kolaydır. Sun, Windows ve Linux sistemlerinde OpenGL ve DirectX grafik
adaptörleriyle çalıır.
Kolon Tanımlanması
Kolonların tanımları ARUP tarafından tablo 1 deki liste halinde verildi. Farklı
çaplarda ve taıma gücünde üç tip kolon vardı. Bir kolonun maksimum çapı taıma
kapasitesiyle belirlenir ve iki kolon arasındaki mesafeyi tanımlar. Kolonların eilim açısı
10 dereceyle sınırlıdır, böylece bu etmen stürüktürel hesaplamalarda dikkate
alınmayabilir. Ayrıca taban düzlemi ile beton plaka arasındaki mesafe farkları da dikkate
alınmayıp ortalama 3.00 metre yükseklik kullanılmıtır. Yaklaık kolon sayısı, ARUP
tarafından verilen maksimum kolon yarıçapları ve inaat bütçesi dikkate alınarak
belirlenmitir.
Prototip: kolonları düzenlemek
Yazılımın ilk hali oldukça
basit bir parçacık sistemidir :
kolonlar yaam alanının
ortasına atılıp verilen
parametrelere göre kendilerini
düzenlemeye balarlar.
Kullanıcı bir kolonu seçip
sürükleyebilir ve çeitli
parametreleri deitirebilir
böylece kolonlar arası,
kolonlarla çevreleri arası
etkileimlere tesir eder. (plaka,
bisiklet tribünü, delikler) Bakı
açısı, mouse'u sürükleyerek ve klavye navigasyonu ya da önceden ayarlanmı bakı
açıları ile deitirilebilir. Sonuçlar iki boyutlu SVG garfii olarak ihraç edilir.
Sonuçlar
Bu ilk versiyonla elde edilen sonuçlar oldukça ümit vericiydi. Kolonlar kendilerini
makul bir paternde düzenlemeyi baardılar. Parametrelerdeki ufak deiikliklerle sabit
durumlar kısa sürede yaratıldı. Ama yine de bazı hatalar vardı. Birbirlerini itmeleri
dıında gerçek bir etkileime sahip deillerdi, ve çevresel durumlara tepki vermiyorlardı.
Bir kere belirlendikten sonra kolon, tipini deitiremiyordu. Yani kolon tiplerinin yerleimi,
balangıçtaki rastgele sıralanmalarına ve kullanıcının bir kolonu daha iyi bir lokasyona
çekmesiyle sınırlıydı. Aynı zamanda plakanın merkezinde bisiklet tribünlerinin olmadıı
alanda büyük strüktürel sorunlar da olumutu. Bu ilk denemenin sonuçlarıyla karılaan
ARUP grubu yeni strürüktürel kısıtlamalar ekledi. Yani Groningen Twister'ın ikinci
versiyonu bazı büyük deiikliklerle planlandı.
Son versiyon : Büyüyen Kolonlar
Prototipi test ederken, öncelikli düüncelerden olmayan bazı inai detaylar ortaya
çıktı. Plaın ortasında iki genleme birleim noktasının (eklem) olması arttı. Plaın
bazı kısımlarına cam bloklar serpitirilmiti bu da yayılım kapasitesini ve böylece
maksimum kolon mesafesini etkilemiti. Plaın bazı kenarları , boukların kenarları,
genleme balantılarının kenarları, farklı stürüktürel yanıtlara ihtiyaç duymaktaydı.
Plaın yeni modeli
Yeni stürüktürel kuralları sisteme
entegre edebilmek için plaın
deimesi gerekli hale gelmiti. Artık
birbirinden baımsız be ana
parçadan olumaktaydı, bunlar
eklemlerle ve camlı - camsız alanlar
arası sınır çizgileriyle birbirlerinden
ayrılmılardı. Plaın farklı bölgelerinde
Resim 6 - ARUP sketch of the different regions of the
slab. Expansion joints run vertically through the middle of
the slab. The blue area contains glass blocks, green edges
are supported on walls or the ground
farklı stürüktürel gereksinimlere cevap vermesi için bu parçalar, onların kenarları ve
boluklar be farklı kategoriye ayrıldı.
Kolon alanları yerine yollar
Plaın ortasındaki kolonların az olduu alanı ortadan kaldırmak için alt kolon
bitilerinin yerletirilme kriterleri tamamen deiltirildi. Görev- kolonların yolları
engellememesini salamak- artık daha dorudan modelleniyordu. Bisiklet tribünü
alanlarına çekilmek yerine, artık kolonlar merkez çizgileri tarafından tanımlanan yollar
tarafından itiliyordu. Yollar trafik hacimlerine göre farklı itme kuvvetlerine sahip üç
kateoriye ayrıldılar. Merkezden gelen ana bisklet hattı, Merdivenlerdeki ikincil yollar,
bisiklet tribünleri arasındaki küçük ulaım yolları.
Büyüyen kolonlar
Prototipteki en önemli deiiklik kolon daılımına
tamamen yeni bir yaklaım getirilmesiydi. Kolonlar
baskıya duyarlı hale getirerek tipolojilerini deitirebilirdi,
böylece gerçek büyüme süreci mümkün kılındı. Bir
kolona çap ve yük taıma yarıçapı belirlemek yerine,
artık kolonlar otonom bir ekilde büyüklüklerini
deitirerek çevrelerine adapte olabilir hale getirildi.
Komusundan fazla uzak olan bir kolon çevresinde düük baskı hisseder ve
belirlenmi kolon tiplerine uyarak kademeli adımlarla büyümeye balar. Eer mümkün
olan en büyük durumda bile komusuna hala yeterince yakın deilse ikiye bölünür ve
tekrar iki kolon da büyümeye balar. Eer bir kolon komusuna ya da yaam alanının
kenarlarına fazla yaklaırsa sonuçta oluan itme, baskıyı arttırır ve kolon aynı biçimde
küçülmeye balar. Eer mümkün olan en küçük durumda da baskı hala yüksek ise
sonuçta kolon ölür. Böylece ortama tohumlanan bir kolon sayesinde bütün plak alanı
zamanla kolonlarla dolar.
Büyüme ve küçülme baskı eii, her kolon için baımsız bir ekilde uyarlanabilir,
böylece kolon daılımını üç tipe göre etkilemek mümkün hale gelir. Yayılım kapasitesinin
düük olduu cam kaplı bölgelerde büyüme, iki ufak kolon tipiyle sınırlandırılmıtır.
SONUÇ
Bu versiyonun sonuçları dier prototipten çok daha baarılı çıktı. Beton plaın be
ayrı parçasına tohumlanan her bir kolon bölünüp büyüyerek alanı doldurmayı baardı.
Kolon tipleri çevrelerinin gereksinimlerine göre kendilerini ayarladılar. Birkaç deneme
sonucunda varsayılan deerlerdeki ufak deiikliklerle stürüktürel gereksinimler
baarıyla yerine getirildi. çeitli renk kodlama emaları bu süreçte oldukça yardımcı oldu.
Örnein kinetik enerjilerine göre kolonları emek ya da maksimum eilim açısını geçen
kolonları renkle iaretlemek mümkün hale geldi. Kısa bir sürede KCAP mimarları çeitli
parametrelerle baa çıkabildiler ve birkaç kolon düzenlemesi gelitirebildiler. En iyi
versiyon sonuç tasarıma temel oluturacak ekilde Autocad sistemine ihraç edildi.
Çalıma sürecinde kısıtlı zaman yüzünden çözümlenemeyecek birkaç problemle
karılaıldı: Kolonların kademeli büyümesi sistemin tamamının kinetik enerjisinde
artmaya neden oluyordu. Ya büyüyen kolonlar komularına daha büyük bir itme
kuvvetiyle etki ediyordu ya da küçülen kolonların komuları birden hareket edecek daha
geni bir alan bulup hıza dönüebilecek yüksek bir potansiyel enerjiye sahip oluyordu.
Kritik durumlarda yüksek bir tip deiim oranı ve artan hız gibi dengesiz artlar
oluturdu. Ayrıca kolonların alt bitilerinin istenmeyen yollara fazla yaklama durumunda
eilim açılarının maksimumu geçmesini egellemek de oldukça güç bir durum oldu.
ÖZET
Bu üretici araç için esas kavram
dorudan etkileimdir. Yazılım, proje
katılımcılarının farklı görülerini bir
modelde toplayarak projeyle ilgili
birçok iletiim biçimi üreten bir arayüz
olarak deerlendirilir. Bu durumda
KCAP mimarları tasarım fikirlerinde
düz bir plaı ve "kolonlardan oluan
bir ormanı" esas almı, ARUP mühenisleri ise belirledikleri kurallar dizisiyle tasarımın
stürüktürel ihtimallerinin dıına çıkmamasını salamıtır. Ancak eer simülasyon yüksek
oranda etkileimli ise gerçek bir tasarım aracına dönüebilir. Bu araç mimara tasarımın
estetik ve fonskyonel kararlarına stürüktürel kuralları tatmin ederek istedii zamanda
müdahale etme özgürlüünü verir.
KAYNAKÇA
•
Kees Christiaanse Architects & Planners Website: www.kcap.nl
•
[2] Kaisersrot Website: www.kaisersrot.com
•
[3] CAAD Website: www.caad.arch.ethz.ch
•
[4] Mitchell W.J. 1977, Computer-aided architectural design - New York : Petrocelli/Charter.
•
[5] Coates, P.; Healy, N.; Lamb, C.; Voon, W.L. 1996: The use of cellular
automata to explore bottom up architectural rules. Eurographics
•
[6] Frazer, J. 1995: An Evolutionary Architecture , AA Themes no 7, London, The
Architectural Association.
•
O‘Sullivan, D.; Torres, P.M. 2000: Cellular models of urban structures, in Bandini,
S. & Worsch, T. (eds.) 2001: Theoretical and Practical Issues on Cellular
Automata, Proceedings of the Fourth International Conference on Cellular
Automata for Re-search and Industry (ACRI 2000), pages 108–116.
•
Martini. K. 2001: Non-linear Structural Analysis as Real-Time Animation, in de
Vries, B. et al. (eds.): CAAD Futures 2001 Proceedings, page 643-656,
Dordrecht, Kluwer
•
Sun’s Java Website: java.sun.com. Versions used for the development of the
Gronin-gen Twister: J2SDK 1.4.3 and Java3D 1.3.1.
•
Kennedy J.; Eberhart R.C.; with Yuhui Shi 2001: Swarm intelligence, San
Francisco, Morgan Kaufmann.