A study on the use and design of mechanisms in art and architecture

Abstract

This study consists of research on developmental processes, fundamentals, kinematic properties, and design methods of art and architectural examples that involve mechanisms and a proposal of a novel method of designing polygonal deployable surfaces. The effect of motion studies on art and architecture is analyzed from the first technical studies of motion and portable examples of architecture. The pre-industrial automata, acoustic designs, musical instruments, water-lifting devices, and aqueducts were designed by artists and architects as well; windmills that are the first rotating structures, clocks, clock towers, construction machines and early examples of movable bridges are examined. The kinematic properties and fundamentals of mechanisms are analyzed. The kinematic structural analyses of contemporary art and architectural products are conducted by drawing kinematic diagrams, demonstrating link and joint types and numbers; and mobility calculations. The primary units and assembly methods of them are examined. Strengthening the bond among the fields of kinetic architecture, art and mechanism science is intended. The present study is the first source in which examples from the related fields and corresponding kinematic science are explicitly transmitted for artists and architects. Finally, a novel design method for polygonal deployable surfaces that is adaptable to climatic, functional, visual and/or social needs is developed. The method starts with the kinematic design of the triangular primary unit, which is topologically Bennett's plano-spherical mechanism. The planar position provides covering surfaces, while the spherical linkage generates a 3D dynamic form during movement. The design is adapted to polygons and multiplied in Archimedean tilings. A single actuator can drive all designs. The modularity provides designs versatility and flexibility.

Bu tezde mimari ve sanat alanlarından mekanizma içeren örneklerin gelişim süreçleri, temel prensipleri, kinematik özellikleri ve tasarım yöntemleri incelenmiş; sonrasında tek serbestlik dereceli, çokgenlerden oluşan hareketli yüzeylerin tasarımları için bir yöntem önerisi geliştirilmiştir. Hareket çalışmalarının mimariyi ve sanatı şekillendirme biçimi, hareketin teknik olarak ilk incelendiği dönemlerden ve mimarinin ilk portatif örneklerinden başlanarak ele alınmıştır. Endüstri öncesi dönemde sanatçılar ve mimarlar tarafından da tasarlanan otomatlar, akustik tasarımlar ve müzik aletleri, suyu yukarıya taşıyan araçlar ve su kemerleri, dönme kabiliyetine sahip ilk yapılardan rüzgâr çarkları, saatler ve saat kuleleri, inşaat makineleri ve hareketli köprülerin ilk örnekleri araştırılmıştır. Mekanizmaların kinematik özellikleri, temel kavramlarıyla birlikte incelenmiştir. Sanat ve mimarlık alanlarından güncel örneklerin kinematik yapısal analizleri ise kinematik diyagramları çizilerek, uzuv ve mafsal tipleriyle sayıları gösterilerek, serbestlik dereceleri hesaplanarak ortaya konmuştur. Tasarımların temel birimleri ve birleşme özellikleri incelenmiştir. Kinetik mimari, sanat ve mekanizma bilimleri arasındaki köprüleri güçlendirmesi amaçlanmıştır. Mimarlar ve sanatçılar için oluşturulan, bu alanlardaki örnekler ve özellikler incelenip temel kinematik bilgisinin süzülerek toplandığı ilk kaynaktır. Son olarak iklimsel, işlevsel, görsel ve/veya sosyal ihtiyaçlara adapte olabilecek, düzgün çokgenlerden oluşan, açılıp kapanabilen yüzeyler için yeni bir tasarım yöntemi önerilmiştir. Bu yöntem üçgensel temel birimin kinematik tasarımıyla başlar. Bu birim topolojik olarak Bennett'in düzlemsel ve küresel bağlantı biçimini kullanır. Düzlemsel form, düz yüzeyleri kapatmaya uygundur; ayrıca kullanılan küresel bileşen, hareket sırasında 3B dinamik bir form oluşmasını sağlar. Ardından tasarım, çokgenlere adapte edilerek düzenli ve yarı düzenli teselasyonlarda çoğaltılır. Oluşan tasarımların hepsi tek bir motorla kontrol edilebilir. Modüler olması ise tasarımlara çok yönlülük ve esneklik sağlar.