Yüksek Performanslı Bina Tasarımında Cephe Mühendisinin Rolü
Cenap Hakan Balcı
Y. Mimar, Cephe Mühendisi (UnIversIty of Bath, İngiltere) CIBSE MSFE (İngiltere),
InternatIonal BREEAM Assessor BDS Mimarlık Danışmanlık
Dünyada yaşanan küresel ısınma, iklim değişikliği, çevre kirliliği, doğal kaynakların tükenmesi ve susuzluk tehdidi gibi ekolojik sorunlar yüksek performanslı ve çevresel etkisi düşük binaların tasarlanmasının önemini arttırmıştır. Çevreye duyarlı yapılanmayı teşvik etmek için birçok ülke kendi çevresel etki değerlendirme metotlarını geliştirmiştir ve bu metotlardan bazıları uluslararası tanınmışlık kazanarak daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu metodların tümü prensipte birbirinin benzeridir ve hem etik hem etkin bina tasarımında halihazırda zaten referans alınan uluslararası norm ve standartları işaret ederek bütünsel veya entegre tasarımın uygulanabilmesi için disiplinlerarası yürütülmesi gereken çalışmalarla ilgili usulleri belirlemektedirler.
Çevresel etkisi düşük, enerji etkin, iç ortamda gerek ısıl gerekse doğal aydınlatma ve akustik konfor koşullarının sağlandığı yüksek performanslı binaların bütünsel tasarımında en önemli disiplinlerarası moderatör bina kabuğunun teknik performansını tasarlayan cephe mühendisliği disiplinidir.
Cephe mühendisliği mimari, strüktür, bina fiziği, malzeme mühendisliği, termodinamik ve akışkanlar dinamiği, yapı teknolojisi ve yapım teknikleri, tedarik ve üretim teknikleri konularında bilgi ve deneyim gerektiren çok disiplinli bir mühendislik bilimidir. Günümüzde tasarlanan ve inşa edilen iddialı mimariye sahip çoğunluğu cam, alüminyum, çelik ve kompozit malzemelerden oluşan bina kabuk sistemleri, binaların toplam kaba yapı maliyetlerinin yaklaşık yüzde 30 ila 40’ını oluşturmaktadırlar. Bu sistemler yapım sonrası bina işletme giderlerini doğrudan etkiledikleri için henüz tasarımın çok erken aşamalarında tasarım optimizasyon ve değer mühendisliği çalışmaları ile bütünsel (strüktürel, iklimsel, çevresel, malzeme fiziği, teknik performans) anlamda mimar, yatırımcı ve diğer disiplinler ile irdelenerek geliştirilmelidirler.
Cephe mühendisinin bir binanın mimari konsept tasarımının geliştirilmesi gibi çok erken bir aşamada mimar ve yatırımcı ile çalışmaya başlaması tüm strüktürel ve çevresel teknik performans gereklerini sağlayarak uygun bütçeli tasarım yapılabilmesi için büyük önem taşımaktadır. Türkiye’de İşverenlerin büyük bir kısmı için tasarlanan cephelerin mimari estetiği ve enerji etkinliği kadar hatta belki de bundan çok daha fazla önemli olan parametre ilk yatırım maliyetidir.
Örneğin çalışılan bir projemizden referans vererek anlatmak gerekir ise; cam ve alüminyum cepheli bu yüksek yapıda güncel yerel standartlara uygun iklimsel performans kriterlerini sağlayan bir cephe sistemi ile biraz daha yüksek gölgeleme ile ısıl yalıtım değerlerini sağlayan bir sistemin ilk yatırım maliyeti yüzde 20 civarında fark etmektedir.Yaklaşık 25.000 m2 cephe dikkate alınarak bu farkın ilk yatırımdan geri kazanımı güncel enerji bedelleri ile 20 yılı bulmaktadır.
Yapı servis ömürlerinin 50 yıl ve üzeri olduğu Avrupa ülkelerinde geri kazanım için 20 yıl gibi bir süre normal kabul edilirken, Türkiye’de sürdürülebilir yapılanma ile ilgili henüz bir devlet politikası ve buna bağlı yatırım teşviklerinin bulunmaması yüksek bütçeli cephelerin uygulanmasını zorlaştırmaktadır. Bu nedenle bir projenin henüz konsept aşamasında iken yapılan enerji modelleme çalışmaları cephe sistemlerinin başta değer mühendisliği olmak üzere yapısal ve çevresel diğer faktörlerin de dikkate alındığı bir tasarım sürecini içermediği müddetçe çoğunlukla realist sonuçlar vermemektedir.
ŞEKİL 1
Cephe mühendisinin konsept tasarım aşamasından projeye entegre olması önemlidir, çünkü bu süreçte oluşturulan tahmini bütçe genellikle tüm tasarım gruplarının çalışmalarında optimizasyonlar gerektirmektedir ve projenin yüzü, kimliği olan bina kabuğunun büyük değişimler yaşamadan en uygun cephe sistem ve uygulamalarıyla mimari tasarım niyetinden sapmadan çözümlenmesi hem mimarın hem de yatırımcının yararınadır. Bu aşamada projenin bulunduğu arazi üzerindeki konumu ve cephelerin tasarımını etkileyecek en önemli ve işin başlangıcı sayılan tasarım parametresi binaya etki edecek rüzgar yükleri ve bina çevresinde oluşan mikro iklimdir. Çok yüksek katlı yapılarla geniş alana yayılmış komplekslerin rüzgar yükleri ve çevrelerindeki yahut balkon ve teraslarındaki rüzgar basınç yükleri ile yaya konfor koşullarının tespiti için rüzgar tüneli testi yapılmalıdır, ancak daha alçak katlı ve küçük yapı komplekslerinin rüzgar yükleri standarda göre ya da Şekil 1’ deki gibi akışkanlar dinamiği prensiplerine göre Rüzgar Mühendisi tarafından bilgisayar ortamında da hesaplanabilir. Rüzgar yükleri, zati yükler ve deprem yükleri referans alınarak cephe mühendisinin yapacağı cephe çerçevesinin strüktürel tasarımı doğrultusunda profil kesitleri, gerekli ise özel üretim takviyeli profiller ve ankraj sistemi oluşturulmakta, Şekil 2’de gösterilen cam hesapları ile de cam paneli kalınlılıkları belirlenmektedir.
ŞEKİL 2
İkinci önemli aşama statik tasarımı geliştirilen cephe sisteminin ilgili standard ve çevresel etki derecelendirme metodlarının referans gösterdiği performans değerlerine göre ısı yalıtım hesaplarının yapılarak cephe sistemini oluşturan tüm temel komponentler ile ilgili ayrı ayrı, hem profil sisteminin, hem cam yüzeyinin hem de bir bütün olarak cephe sisteminin ısı geçiş katsayısı (U değeri) hesaplanmasıdır. Ülkemizde çoğu zaman alüminyum çerçevenin ısı yalıtım performans yetersizliğinin cephenin toplam ısı geçiş katsayısına etkisi camın yalıtım performansını arttırarak denkleştirilmektedir. Bunun için çoğunlukla cam boşluğunda kuru hava yerine yüzde 90 oranında Argon gazı doldurulan yüksek performans camları kullanılmaktadır. Cam performansını arttırmak tüm cephe sisteminin bir bütün halinde iyileştirilmesini sağlayacak bir stratejinin parçası olması halinde tutarlıdır. Cepheyi oluşturan komponentler arasında maliyetsel bir takasın parçası olarak alınan aslında gereksiz bir kararın çoğu kere öngörülmeyen risklere yol açacağı unutulmamalıdır. Ağır gaz dolgulu camlamalar bölgemizde görece yeni bir uygulamadır. Bu tür camlamalar daha önce yapılan ve akamete uğrayan uygulamalardan çıkan sonuca göre işçilik hatalarına açık oldukları gibi cephenin aşırı ısınmasından oluşabilen kaçaklar dolaysıyla en iyi koşullarda dahi dayanım süreleri 10-15 yıl kadardır. Bütün bunlar dikkate alındığında uzun vadede cephenin bütünsel yalıtımını olumsuz etkilenmesi kaçınılmaz olduğundan bu tür kararlar her bir komponentin etkinliği tahlil edildikten sonra bütünsel olarak alınmalıdır.
Cephe tasarım optimizasyon çalışmalarının bir diğer konusu da güneş kontrolü ile beraber gerekli doğal aydınlanma konfor şartlarının da oluşturulmasıdır. Cephe veyahut ışıklık sistemlerinden doğal ışığın istifade edilmesi maksadı ile yapılan Şekil 3’ deki gibi aydınlatma hesapları cam seçiminin iç ortamdaki doğal ışık seviyesinin düzeyi hakkında bize fikir verecektir. Bununla ilgili elde edilen veriler hem binanın yapay aydınlatma ihtiyacının optimizasyonunda hem de fazla ışınıma maruz kalan bölgelerde gerekli konforun sağlanması için cam yüzeyinde veya cephe önünde alınması gerekli önlemler hakkında kılavuz olacaktır. Cephe mühendisi cephe tasarımında gölgeleme araçları varsa bunların güneş kontrolüne katkısının belirlenmesi yahut etkinliklerinin artırılması maksadı ile Şekil 4’te gösterilen doğal aydınlanma simülasyon modelleri ile Şekil 5’te belirtilen türdeki gölgeleme araçlarının form, boyutları ve açıları ile ilgili optimum çözümü geliştirmeli ve buna göre cam panellerinin efektif gölgeleme değerini (G-value) belirlemelidir.
Bina kabuğunun performansını etkileyen bir diğer tasarım parametresi de dıştan içe sağlanması gereken ses geçiş kaybı veyahut ses yalıtım düzeydir. Akustik danışmanının projenin bulunduğu bölgedeki gürültü verilerine göre hesapladığı ses geçiş kaybı indisi (Rw) değerine göre tasarlanan cephe sisteminin performansı laboratuvar testinde gözlemlenir ve istenilen ses geçiş kaybı düzeyi elde edilemediyse, test düzeneği (mock-up) incelemeye alınır ve zafiyet gösteren arakesit yalıtımları, yahut eksiklikler tespit edilip, yalıtım iyileştirmeleri yapılarak testin olumlu sonuçlanmasına kadar gerekli optimizasyon çalışmaları yapılmalıdır.
ŞEKİL 3
Cephe kabuğunu oluşturan komponentlerin yalıtım performanslarının belirlenmesi yalnızca ısıl gereklilikler ve bununla ilgili normlara uygunlukların sağlanması için değil bu komponentlerin servis süreleri boyunca sağlıklı çalışabilmesi için de önemlidir. Isıl köprüler, yetersiz yalıtım ya da işçilik hataları bina kabuğunda yoğuşmaya neden olabilir. Yoğuşma, cephe kabuğunun gözüken yüzeylerinde olabileceği gibi cidar boyunca gözükmeyen bölümlerinde de olabilir. Yoğuşma en hafif yönü ile bir görsel kusur en ağır yönü ile ise komponentlerin strüktürel bütünlüğünü dahi bozacak yapısal bir sorundur. Tasarlanan yapı kabuğunda yoğuşma çizgisinin ne şekilde geliştiği Cephe Mühendisi tarafından iç ve dış ortam koşullarına göre Şekil 6’ da gösterildiği gibi tahkik edilmelidir.
ŞEKİL 4-5 Günümüzdeki yapı malzemesi alternatifleri ve yapı teknolojilerinin sağladığı imkanlar bina kabuğunu hiç olmadığı kadar karmaşık hale getirmektedir. Yapı kabuğu kullanıcı konforunu en üst düzeyde sağlamak için statik bir yapının ötesinde mevsimsel hatta anlık koşullara göre kendini adapte eden, otomatik mekanik bir cihaz olmaya doğru evirilmektedir. Bu teknolojik getirilerin bina kabuğuna uygulanabilmesi bilimsel bilgi birikimi ve maharet isteyen bir tasarım yetisi, yani bir mimari mühendislik uygulamasıdır. Cephe Mühendisi bunu yaparken yatırımcı, mimar, statik mühendisi ve elektro-mekanik tasarım grubunun verilerini analiz eder ve bir moderatör gibi her birinin tasarımını ortak bir noktada buluşturur. Sonuçta ortaya çıkan bina kabuğu oluşturduğu mikro iklimde kullanıcıların konforlu şekilde yaşamasını sağlamaktadır. Bu mikro iklimin iktisadi ve çevresel yönleri ile sürdürülebilir olması ona artı bir değer kazandırmaktadır. Öte yandan şehirlerimizdeki yapı stoğunun büyük kısmının hala daha yapı tasarımı ile ilgili normların altında oluşu buna karşılık ülke ekonomimizin orta gelir tuzağı riskinde bulunması, kaynaklarımızın öncelikli sorunlarımızı çözmek için doğru ve sürdürülebilir olarak sarf edilmesini gerekli kılmaktadır. Bu açıdan iktisadi yönü ihmal edilerek sadece belli bir çevresel değerlendirme yönteminden daha yüksek puan almak için performansları standartların belirlediği eşiklerin üzerinde tasarlanan yapı kabuklarına sahip binalar sertifikalı olmalarına rağmen sürdürülebilir olmayacaklardır. Benzer örneklerini mevcut refahlarını petrol gelirlerine borçlu kimi Ortadoğu ülkelerinde gördüğümüz astronomik maliyetteki fakat en yüksek çevresel etki değerlendirme derecesine haiz projelerden farklı olarak kaynaklarımızı akıllı kullanarak çevreye değer katan çevresel etkisi düşük yapılar yapmalıyız. Böyle bir strateji zaten bir sertifika ile ödüllendirilecektir, keza İngiliz Mimar Sir Norman Foster Frankfurt’ta Avrupa’nın ilk ekolojik gökdeleni kabul edilen Commerzbank binasını 1997 yılında tamamladığında, çevresel etki değerlendirme metodları yeni kurulmaya başlamıştı. Bugünkü derecelendirme sistemleri de henüz daha bulunmamakta idi. Ancak Commerzbank tasarımı sayesinde bugün en güncel kriterlerle dahi değerlendirmeye tabi tutulsa yüksek dereceli derecelendirme sertifikası ile ödüllendirilmesi gerekir.
Sonuçta tek model herkese uyar değerlendirmelerinen bağımsız disiplinlerarası çalışmayla tüm yönleriyle denlgeli ve optimize edilmiş, etkin bir bina tasarımı her zaman için iyi bir çevrenin sürdürülebilirlilğine katkısı olacaktır. Bir binanın ise performansını etkileyen ve bulunduğu çevreyle arayüzünü oluşturan bina kabuğu, yapıdaki alışılagelmiş duvar olma anlayışından öte, mimari ve mühendsilik tasarım kriterlerinin dengeli bir biçimde entegre edildiği, çevreye duyarlı ve teknolojik bir mekanizmaya dönüştükçe cephe mühendisliği disiplininin bina tasarımında önemi artmaktadır.