Biyomimetik Tasarım Yaklaşımı ve Mimari Uygulamalar

Mimarlar, tasarımlarını ortaya çıkarırken kendilerine ilham verecek bir başlangıç noktası ararlar. Yaratma sürecinin bu ilk adımı kendisini takip eden aşamaları doğrudan etkilediğinden, projeyi yönlendiren tasarım kararlarının belirlenmesi önemli bir adımdır. Son yıllarda biyoloji bilimi, mimarlık ve mühendislik alanlarında esin kaynağı olarak göz önüne alınmaya başlamıştır.

Mimari tasarımı yönlendiren ve etimolojik olarak bios (yaşam) ve mimesis (taklit etme) kelimelerinden türeyen bir kavram olan biyomimesis, doğanın zaman içinde test ettiği düzen ve stratejilerden esinlenen ve etkin çözümler bulmaya çalışan bir yaklaşımdır. Biyomimetik yaklaşımda; ürünlerin, süreçlerin ve ilkelerin, yaşama uzun dönemde iyi adapte olacak şekilde ortaya konması amaçlanmaktadır. Buradaki ana düşünce, insanlığın günümüzde mücadele ettiği çoğu problemi doğanın halihazırda çözmüş olduğu gerçeğidir (1, 2). Milyonlarca yıl boyunca gelişimini sürdüren bitki, hayvan ve böcek gibi organizmalar, doğanın çetin koşullarında hayatta kalabilme yollarının ve enerji verimliliğinin sırlarını barındırmaktadır. Mimar ve mühendislerin, çevrelerini saran bu engin dünyadaki bilgi birikiminden yararlanması gerekmektedir. 15. yy’da doğayı gözlemleyerek uçuş makinesi üzerine eskizler yapmış olan Leonardo da Vinci, tarihteki öncü biyomimetik tasarımcılardan biri olarak anılmalıdır (3) (Resim 1 ve 2).

Yapı sektöründe enerjinin çok değerli olduğu ve elde etmek için ağırlıklı olarak hala fosil temelli kaynakların kullanıldığı günümüzde, enerjiyi en verimli şekilde kullanan biyolojik varlıklardan öğrenilecek çok şey vardır. Biyomimesis ya da biyomimikri olarak adlandırılan yaklaşım, doğada milyonlarca yıllık bir süreç içinde gelişerek en iyi hale gelmiş olan bitki, hayvan ve böcek gibi organizmaların incelenerek bu araştırmalar sonucu elde edilen bilgilerin mimarlık ve mühendislik alanlarına uyarlanması için yürütülen bilimsel çalışmaları kapsamaktadır. Biyomimikri kavramını bilim dünyasına kazandıran Benyus (6), bu alandaki bilimsel çalışmaların öncüsü olarak kabul edilmektedir. Pedersen Zari, biyomimetik teknolojileri; organizma, davranış ve ekosistem düzeylerinde sınıflandırmıştır (7). Mazzoleni, doğadaki organizmaların ortam koşullarına adaptasyon özelliklerini; ısıl adaptasyon, su dengesi, korunma ve iletişim olarak dört başlık altında gruplandırmış, doğadaki canlıların ortama uyum sağlamak üzere geliştirmiş oldukları kendilerine özgü özelliklerini analiz ederek mimarlık alanındaki uygulamalar ile ilişki kurmaya çalışmıştır (8).

Doğanın Öğrettikleri

Doğadaki organizmalar, içinde bulundukları ortamın koşullarına uyum sağlamak üzere, milyonlarca yıl boyunca geliştirdikleri özellik ve sistemlerini kullanmaktadır. Bu adaptasyon sistemleri en basit organizmadan en karmaşık yapılı canlıya kadar gözlemlenebilmektedir. Hayatta kalmak ve yaşamını uygun koşullar altında sürdürmek, her canlı için temel içgüdü ve önde gelen gereksinimdir. Biyolojik varlıklar, değişen ortam koşullarına uyum sağlamak üzere yararlandıkları adaptasyon yeteneklerini, yalnızca hayatta kalmak üzere değil, aynı zamanda sahip oldukları enerjiyi etkin şekilde kullanmak üzere geliştirmiştir (9).

Janine Benyus ve Bryony Schwan tarafından 2006 yılında kurulmuş olan Biyomimikri Enstitüsü’nün hazırladığı grafiğe göre yaşamın ilkeleri; hayatta kalmak üzere evrim geçirmek, kaynakların (malzeme ve enerji) etkin kullanımı, değişen koşullara adaptasyon, gelişim ve büyümeyi bütünleştiren stratejiler oluşturma, bölgesel uyum sağlama ve yaşam dostu kimyasal kullanımı olarak ortaya konulmuştur (10).

Biyomimetik mimarlık uygulamaları

Mimarlık alanındaki uygulamalara esin vermesi için doğadaki canlılardan edinilecek pek çok bilgi bulunmaktadır. Biyomimesis/biyomimikri olarak adlandırılan ve doğadan esinlenen bu yaklaşımdan mimarlıkta farklı alanlarda yararlanılabildiği görülmektedir. Biyomimetik tasarım yaklaşımının uygulandığı önemli bazı mimari uygulamalar bu kısımda incelenmiştir. Mimarlık alanında doğadan esinlenme farklı ölçek ve alanlarda söz konusu olabilse de, uygulamaların tümünde gözlenen ortak payda ele alınan problemin çözümündeki etkinliktir.

Mimari tasarım aşamasında doğanın düzeninden yararlanmak ve binayı bu tasarım kararı üzerine şekillendirmeye yönelik verilebilecek bir örnek, Zimbabve’de bulunan Eastgate Centre binasıdır. Binanın havalandırma ve ısıl düzenlemesinde, Afrika termitlerinin yuvalarındaki havalandırma kanallarından ilham alan bir sistem uygulanmıştır. İç hacimde sıcaklığı dengelemek ve enerji maliyetini azaltmak üzere termit kolonilerinin yuvalarındaki doğal havalandırma ilkesi esas alınmıştır. Binada herhangi bir havalandırma sistemi bulunmamakta, pasif soğutma sistemi sayesinde sıcaklık düzenlenmektedir (11) (Resim 3 ve 4).

Binaları ayakta tutan strüktürel elemanlardaki etkinliği artırmanın yolları da yine doğada bulunabilir. Doğadaki çözümler saf ve etkindir. Hiçbir organizma fazlalık içermez; üstlenilen işlevi karşılamak için ne kadar gerekli ise o kadar malzeme kullanır. Mimarlıkta da amaç, en az malzeme ile binayı taşıtmanın yollarını bulmaktır. Yumurta ya da midye kabuğu, ağaç dalları, örümcek ağı gibi doğal strüktürlerden esinlenen birçok bina taşıyıcısının etkinliğinde doğadan ilham almaktadır.

Örümcek ağları, asma germe ilkesi ile çalışan doğal strüktürlerdir (Resim 5). Bu strüktürel kurgu mimaride de özellikle geniş açıklıklı üst örtü tasarımında karşımıza çıkmaktadır. Münih Olimpiyat Parkı için uygulanmış olan üst örtü, strüktürel ve estetik yönden doğadaki kusursuzluğa yaklaşmış bir  mimarlık ürünüdür (Resim 6).

İspanya’nın Valensiya şehrinde bulunan Oceanographic Deniz Müzesi 2003 yılında ziyarete açılmıştır (16). Binanın betonarme kabuğu, biyomimetik mimarlığın strüktürel uygulamaları için verilebilecek bir başka örnektir. İnce betonarme üst örtüde, deniz kabuklarının doğal formundan kaynaklanan strüktürel etkinliğin kullanıldığı göze çarpmaktadır (Resim 7 ve 8).

Biyomimetik strüktürler için verilebilecek bir başka örnek ise, Stuttgart Havalimanı’nda Meinhard von Gerkan tarafından tasarlanan ağaç strüktürlü taşıyıcılardır. Binanın üst örtüsünü taşıyan kolonlar, tıpkı bir ağaç gibi, yukarıdan aşağıya doğru yükleri toplayarak sonunda tek bir noktaya iletmektedir (Resim 9 ve 10).

Doğanın bir başka mucizesi olan arıların ürettiği petek strüktürü, yük aktarımı ve alan kullanım etkinliği yönlerinden üstün yapısal özellikler taşımaktadır. Dolgu kısmına en yüksek düzeyde alan sağlayan altıgen yapılı petek gözlerinin yan yana gelişlerindeki uyum kusursuzdur (Resim 11). Altıgen modüler formun strüktürel ve konstrüktif avantajlarını kullanan Eden Projesi’nin üst örtüsü de, geçtiği açıklık ve hafifliği ile etkin bir strüktürel yapı kabuğudur (Resim 12).

Canlıların dış ortam ile ilişkisi bütün hacimlerini sarmalayan zarf şeklindeki organları (örn. insanda cilt) yoluyla olmaktadır. Bunun mimarlıktaki karşılığı, binanın iç hacmini dış ortamdan ayıran yapı kabuğudur.

Doğadaki organizmalar dinamik ve adaptif özellikler taşımaktadır. Dinamizm ve hareket yeteneği organizmanın ortama adaptasyon düzeyini belirlemektedir. Sürekli farklılaşan dış koşullar, yalnızca doğadaki canlılar için değil, içinde yaşadığımız binalar için de geçerlidir. Bu açıdan bakıldığında, aslında bina sistemlerinin ve bunları meydana getiren bileşenlerin de bulundukları ortamın koşullarına göre dinamik ve değişebilen performanslar gösterebilmesinin, enerji verimliliği ve kullanıcı konforu yönünden taşıdığı avantajlar göz ardı edilmemelidir. Daha kısa bir ifade ile, yapı kabuğunun dış ortam koşullarının değişkenliğine ve farklı gereksinimlere uyumu önemlidir (23).

Bina içindeki kullanıcının konfor koşulları üzerinde etkin olan ve yapı kabuğu tasarımında göz önünde bulundurulması gereken dış ortam koşullarından; günışığı düzeyi, hava sıcaklığı, güneş radyasyonu miktarı ve ışınların geliş açısı, hava hareketi, havanın bağıl nemi, ses düzeyi gibi etmenler sürekli bir değişim döngüsü içindedir. Bu değişimlerin periyotları farklı zaman aralıklarında gerçekleşmektedir; mevsimlik, gün içinde, saatlik ve daha küçük zaman aralıklarında değişimler söz konusudur. Yapı kabuğundaki değişkenlik alanları; hava ve ses geçirgenliği, enerjikorunumu/kazanımı, güneş kontrolü, doğal aydınlatma olarak sayılabilmektedir (24).

Douglas, adaptasyonun; bir binaya, kapasitesini, işlevini ya da performansını değiştirerek değişen koşullara ve gereksinimlere uyum sağlama olanağı verdiğini belirtmiştir (25). Yapı kabuğunun farklı koşullara adapte olabilme kapasitesi ile iç ortamda konfor koşullarının sağlanması için gerekli ek enerji kullanımı arasında ters bir orantı vardır (26). Geleneksel mimari anlayışta yapı kabuğu, bir enerji bariyeri olarak pasif şekilde işlev görmekteyken, artık aktif biçimde enerji kontrolü ve üretimi işlevlerini de üstlenmeye başlamıştır (27).

Aktif özellikler gösteren yapı kabukları, eleman ve bileşenlerin özelliklerinin ya da pozisyonlarının değişimi yoluyla aşağıdaki şekillerde tepki gösterebilmektedir (28):

• Bileşenlerin mekanik hareketi yoluyla (örn. güneş kontrolü ya da havalandırma için kinetik bileşenlerin kullanımı)
• Malzeme özelliklerinde elektrik ile, ısı ya da ışık duyarlı, geri dönüşümlü değişimler yoluyla; örneğin malzemenin ışık ışınlarını geçirgenlik derecesi üzerinde etkili olunabilmesi (örn. fotokromik camlar).

Çevre koşullarına uyum sağlayan yapı kabuğu uygulamaları için verilebilecek örneklerden biri Arap Dünyası Enstitüsü binasıdır. Bina, ünlü mimar Jean Nouvel tarafından Paris’te inşa edilmiştir. Binanın güneybatı cephesinde, dış tarafta bulunan çift camlı ünite ile iç taraftaki tek cam arasındaki boşluğa yerleştirilmiş ve güneş ışınlarının yoğunluğuna göre iç ortama girişini kontrol amacıyla, ışığa göz bebeği gibi tepki veren, fotoğraf makinesi diyaframı benzeri açılıp kapanabilen metal mekanizmalar uygulanmıştır (Resim 13 ve 14). Bilgisayar ile hareket ettirilen mekanizma, geleneksel Arap mimarisi motiflerine gönderme yapan ve kendini tekrarlayan bir geometrik düzende yerleştirilmiştir. Arap Dünya Enstitüsü, yapıldığı yıla göre çağının ilerisinde özellikler gösteren bir bina olarak mimari literatürdeki yerini almıştır.

Günümüzde yapı kabuğunda adaptasyonun, artık ek enerji gerektirmeyen, teknoloji düzeyi düşük, bakım ve onarım gereksinimi az olan sistemlerle sağlanmasına yönelik bilimsel çalışmalar yürütülmektedir. Bu türden çalışmalardan birinde, yapı kabuğunun atmosferik koşullara göre tepki vermesini ele alan ve ortamın nem düzeyine göre kendiliğinden açılıp kapanabilen bileşenlerin mimarlıkta uygulanabilirliği incelenmiştir (31). Çalışmada ele alınan higroskopik sistem, dışarıdan ek enerji ve mekanizmaya gereksinim duymadan, tümüyle kendiliğinden hareket etmekte, ortamdaki nem durumuna göre açılarak havalandırmaya olanak sağlayabilmektedir. Bu sistemin karmaşık elektromekanik sistemlerde olduğu gibi sürekli bakım ve gözlem gerektirmemesi, aynı zamanda ek enerjiye gereksinim duymaması önemli bir avantaj olarak değerlendirilmektedir (Resim 15 ve 16). Bir başka çalışmada ise; bitkilerin adaptasyon ilkeleri gözlemlenerek aktif malzemelerin yapı kabuğunda uygulanabilirliği üzerinde durulmuştur (32). Üçboyutlu yazıcıların, simülasyon programlarının ve malzeme biliminin gelişiminin, bitkilerin adaptasyon stratejilerinin yapı alanına transferine olanak verdiği belirtilerek, nem, sıcaklık, karbondioksit ve ışığa tepki veren malzemelere odaklanılmıştır.

Sonuç Olarak…

Yaşanabilir bir gelecek için insanoğlunun dünya üzerinde bıraktığı negatif ekolojik ayak izini en düşük düzeye düşürmenin yollarını bulması gerekmektedir. Çözüm ise, çevremizi saran ve parçası olduğumuz doğayı anlamaktan ve onun kusursuz düzenine uyum sağlamaktan geçmektedir. Bilimsel çalışmalar sonucu her gün ortaya çıkan yeni bulgular sayesinde insanoğlu için biraz daha anlaşılır hale gelen doğadan edinilen bilgilerin yapı alanına uyarlanması, geleceğin mimarlığında kilit rol oynayacaktır.

Kaynaklar

1.https://biomimicry.org/what-is-biomimicry/#.V2u0KjWRZdA, erişim: 23.06.2016.

2.http://www.asknature.org/article/view/why_asknature#whats_biomimicry, erişim: 11.06.2016.

3.https://en.wikipedia.org/wiki/Biomimetics, erişim: 15.06.2016.

4.https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/77/Big-eared-townsend-fledermaus.jpg, erişim: 10.07.2016.

5.https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/da/Leonardo_Design_for_a_Flying_Machine,_c._1505.jpg, erişim: 15.06.2016.

6.Benyus, J. M.; “Biomimicry: Innovation Inspired by Nature”, HarperCollins Publishers Inc., New York, 1997.

7.Pedersen, Z. M.; “Biomimetic Approaches to Architectural Design for Increased Sustainability”, SB07 NZ Sustainable Building Conference, Auckland, 2007.  erişim: 22.06.2016.

8.Mazzoleni, I.; “Architecture Follows Nature- Biomimetic Principles for Innovative Design”, CRC Press, Taylor & Francis Group, New York, 2013.

9.Gür, N. V.; Gündüz Gökçe, Yükselen Ayaydın, Özer Erenman, Aydan Özgen Armağanı: Yapıda Yenilikçi Yaklaşımlar (Kitap İçinde Bölüm/ Yapı Kabuğu ve Yenilikçi Yaklaşımlar), Yay. Haz. Koman, İ.; Yay. Koor. Suner, C.; Mimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi Yayınları 809, Armağan 3, MSGSÜ Matbaası, İstanbul, Nisan, 158-188, 2015.

10.http://ben.biomimicry.net/curricula-and-resources/university-curricula/biomimicry-resource-tools/, erişim: 23.06.2016.

11.https://en.wikipedia.org/wiki/Biomimetic_architecture, erişim: 20.06.2016.

12.https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/42/Cathedral_Termite_Mound_-_brewbooks.jpg, erişim: 20.06.2016.

13.https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1e/Eastgate_Centre,_Harare,_Zimbabwe.jpg, erişim: 20.06.2016.

14.https://pixabay.com/static/uploads/photo/2015/01/12/20/37/spider-webs-597649_960_720.jpg, erişim: 27.06.2016.

15.http://cdn2.world-architects.com/img/frontend/pages/3930/1000:w/Munich-Olympic-Park-01.jpg, erişim: 27.06.2016.

16.https://en.wikipedia.org/wiki/L%27Oceanogr%C3%A0fic, erişim: 23.06.2016.

17.https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1d/Seashells_North_Wales_1985.jpg, erişim: 23.06.2016.

18.https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d4/L’Oceanografic_(Valencia,_Spain)_01.jpg, erişim: 23.06.2016.

19.http://www.publicdomainpictures.net/pictures/20000/nahled/tree-branches.jpg, erişim: 22.06.2016.

20.https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/67/Stuttgart_Flughafen_Terminal_1.jpg, erişim: 26.06.2016.

21.https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0c/Apis_florea_nest_closeup2.jpg, erişim: 22.06.2016.

22.https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e6/Eden_project_tropical_biome.jpg, erişim: 23.06.2016.

23.Gür, N. V.; “Yapı Kabuklarının Geleceği- Değişkenlik ve Adaptasyon İhtiyacı”, 1. Ulusal Çatı & Cephe Kaplamalarında Çağdaş Malzeme ve Teknolojiler Sempozyumu, İstanbul, 2-3 Nisan, 2004.

24.Gür, N. V.; “Mimaride Sürdürülebilirlik Kapsamında Değişken Yapı Kabukları İçin Bir Tasarım Destek Sistemi”, Doktora Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2007.

25.Douglas, J.; “Building adaptation”, 2nd edition, Butterworth-Heinemann, Oxford, 2006.

26.Hausladen, G.; Saldanha, M.; Liedl, P.; “Climate Skin”, Birkhauser Verlag, Berlin, 2008.

27.Fortmeyer, R.; Linn, C. D.; “Kinetic architecture: designs for active envelopes”, The Images Publishing Groups Pty Ltd, Victoria, 2014.

28.Herzog, T.; Krippner, R.; Lang, W.; “Fassaden Atlas”, Institut für Internationale Architektur-Dokumentation GmbH & Co. KG, München, 2004.

29.https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/95/CatVibrissaeFullFace.JPG, erişim: 20.06.2016.

30.https://c2.staticflickr.com/4/3001/2520821744_0d6d97e8fb_z.jpg?zz=1, erişim: 20.06.2016.

31.Reichert, S.; Menges, A.; Correa, D.; “Meteorosensitive architecture: Biomimetic building skins based on materially embedded and hygroscopically enabled responsiveness”, Computer-Aided Design, 60, 50-69, 2015.

32.Lopez, M.; Rubio, R.; Martín, S.; Croxford, B.; Jackson, R.; “Active materials for adaptive architectural envelopes based on plant adaptation principles” Journal of Facade Design and Engineering, 3(1), 27-38, 2015.

33.https://pixabay.com/static/uploads/photo/2010/12/13/10/01/branch-2133_960_720.jpg, erişim: 07.07.2016.