Architecture are structures of defined spaces that protect people and their belongings from
the exterior environment, among which are the harsh weather conditions, such as wind,
rain, and excess sun radiation. Kinetic architecture is the new design method to achieve
sustainability by adapting to variable environmental conditions. Previous researches
about kinetic architecture mostly considered to use mechanical components and systems
for actuation and transformation. Designing kinetic architecture is at the crossroad of
either utilizing revolution of shape changing materials with strategies from nature or
continue using existing mechanical approaches. In this thesis, adaptation principles from
leaves stomata is applied to propose adaptive component that can accommodate to the
environmental changes with less energy consumption by utilizing shape changing
materials.
In this research alternative design strategies for kinetic adaptable building systems have
been investigated based on bioinspired design approach. The internal environment of an
organism is kept constant within certain limits by regulating mechanisms called
homeostasis. Investigating and analyzing these strategies enables architects and engineers
to transfer these strategies to kinetic building design. It is proposed that the
implementation of successful adaptation strategies inspired from nature can result in
adaptable building systems that “behave” as living organisms that accommodate to the
dynamic environmental changes. Plants are recognized as examples of kinetic systems
that perform mobility with minimal energy use, due to the fiber elasticity composition,
and integrating sensing and actuating capabilities into their system. The stomata of plants
leaves are chosen as role model for adaptive component which is capable of adapting to
CO2 level change in space and temperature fluctuation to provide interior environment
comfort for users. This adaptive component is most effective in environments where
demand control ventilation is needed such as classrooms, theaters, auditoriums, data
centers, stadiums and mosques where the occupancy is intermittent and often well below
the maximum design occupancy. Working principles of the adaptive component and three
application scenario is discussed in detail and its environmental benefits is explained.
Another aim of this research is to explore alternative material systems for actuation of
kinetic systems. The development of shape changing materials influenced the design of
kinetic architecture. New possibilities of applying shape changing materials in modular
systems for architectural skins that respond to various environmental conditions is
explored. Shape memory alloy is utilized for adaptive component due to its kinetic
behavior in lower temperature and shape memory effect.
It is concluded from the research that through utilizing shape changing materials for
kinetic architecture systems bioinspired adaptive sustainable buildings could be achieved
by transferring plants adaptation principles into architectural design solutions.
Mimari insanları ve onların eşyalarını dış ortamdan, rüzgar, yağmur ve yoğun güneş ışığı
gibi sert iklim koşullarından koruyan strüktürler olarak tanımlanır. Kinetik mimari çeşitli
çevresel şartları adapte ederek sürdürülebilirliğe erişmek için kullanılan yeni tasarım
yöntemidir. Kinetik mimari ile ilgili önceden yapılan çalışmalar sıklıkla harekete geçirme
ve kinetik dönüşüm için mekanik bileşenleri ve sistemleri kullanmayı kapsamaktadır.
Kinetik mimariyi tasarlamak ya doğadan biçim değiştiren malzemelerin devriminden; ya
da var olan mekanik yaklaşımlardan faydalanır. Bu tezde, yaprak gözeneklerinden
adaptasyon prensipleri biçim değiştiren malzemelerden faydalanılarak az enerji
tüketimiyle çevresel değişimlere uyum sağlayabilen, uyarlanabilir bileşen sunmak için
uygulanır.
Bu araştırmada biyolojiden esinlenmiş tasarım yaklaşımlarına dayanarak kinetik
uyarlanabilir bina sistemleri için alternatif tasarım stratejileri araştırılmıştır. Bir
organizmanın iç ortamı homeostasis denilen düzenleyici mekanizmalarla çevredeki
çeşitliliğe rağmen belirli limitlerde sabit tutulur. Bu stratejilerin araştırılması ve analizi
mimar ve mühendislerin bu stratejileri kinetik bina tasarımına transfer etmelerini sağlar.
Doğadan esinlenen başarılı uyum stratejilerinin uygulanması, uyum sağlayabilen bina
sistemlerinin yaşayan organizmalar ya da dinamik çevresel değişimlere uyum
sağlayabilen doğal sistemler gibi davranmasını sağlar. Bitkiler lifli elastiklik
kompozisyonlarından dolayı, minimum enerji kullanımıyla mobilete sağlayan kinetik
sistemlere örnektir, ve sezme ve harekete geçirme kapasitelerini sistemlerine entegre
edebilirler. Bitkilerin gözenekleri, mekandaki kullanıcılara iç ortam konforu sağladığı,
CO2 ve sıcaklık değişimlerine adapte olabildikleri için uyarlanabilir bileşen için rol
model olarak seçilmiştir. Bu uyarlanabilir bileşen modülü talep kontrollü havalandırmaya
ihtiyaç duyulan sınıf, tiyatro, oditoryum, bilgi merkezi, stadyum ve cami gibi kullanımın
aralıklı olduğu ve genellikle maksimum tasarım kullanımının olduğu ortamlarda en
etkilidir. Uyarlanabilir bileşeninin çalışma prensipleri ve üç uygulana senaryosu detaylı
olarak tartışılmış ve çevresel katkıları açıklanmıştır.
Bu araştırmanın bir diğer amacı da kinetik sistemlerin uyarlanması için alternatif
malzeme sistemlerini keşfetmektir. Biçim değiştiren malzemelerin gelişimi kinetik
mimarinin tasarlanmasını da etkiler. Mimari kabuklar için biçim değiştiren malzemelerin
uygulanmasının modüler sitemlerde sağladığı, çeşitli çevresel durumlara yeni olanaklar
ortaya çıkarılmıştır. Şekil bellekli alaşım düşük sıcaklıktaki kinetik davranışı ve biçim
hafıza etkisi için ADAPTIVE COMPONENT kullanılır.
Bu araştırmadan kinetik mimari sistemler için biçim değiştiren malzemelerden
faydalanılması, biyolojiden esinlenmiş uyarlanabilir sürdürülebilir binaların bitkilerin
uyum prensiplerinin mimari tasarım çözümlerine dönüştürülmesi ile başarılabileceği
sonucuna varılabilir.
