Mimari kesit aracıyla sentetik üretim: Oditoryum örneği
Synthetic generation with the architectural section tool: An  example of auditorium
Yazar: ŞEMSİ BARIŞ TERZİ
Danışman: DOÇ. DR. SEMA ALAÇAM ; DR. ÖZGÜN BALABAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Bilişim Ana Bilim Dalı / Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Kesitler = Sections ; Mimarlık = Architecture ; Oditoryum = Auditoria ; Çok katmanlılık = Multi-layered ; Öğrenme algoritmaları = Learning algorithms

Özet:
Çok katmanlı ve karmaşık bir süreç olan mimari tasarımın her aşamasında cevap aranan sorular ve çözülmesi gereken sorunlar vardır. Bu sorular ve sorunlara çözüm ve cevap aranırken sıklıkla tasarımcılar mevcut tasarımlardan faydalanır. Özgün bir tasarım ortaya koymak için mevcut tasarımların incelenip üzerinde varyasyonlar oluşturmak tasarımcıların tasarım sürecine destek için kullandığı yaygın bir pratiktir. Günümüzde internetin de yaygınlaşması ile tasarımcılar mevcut tasarımlara kolaylıkla ulaşabilmekte, tasarım süreçlerini etkileyen soru ve sorunlara, cevap ve çözümler bulabilmektedir. Özellikle tasarımcıların ilk tasarım fikrini oluşturduğu erken tasarım aşamalarında, mevcut tasarımlardan faydalanmak ve analiz - sentez - değerlendirme yaparak çıkarımlarda bulunmak tasarım sürecinin ilk adımlarındandır.  Ancak internetin sağladığı büyük veri havuzları tasarımcılara destek sürecinde başka bir soruna yol açmaktadır. Fazla verinin barındığı büyük veri havuzlarından istenilen bilginin elde edilmesi tasarımcılar için zorluk yaratmaktadır. Buna karşın tasarımcıların hayatında uzun süredir olan bilgisayar destekli tasarım yöntemlerinin tasarım süreçlerini hızlandırıp kolaylaştırdığı öne sürülebilir. Günümüzde büyük veri havuzlarından gerekli verinin çıkarılmasını sağlayan ana unsurlardan birisi yapay öğrenme algoritmalarıdır. Yapay öğrenme algoritmalarının gün geçtikçe gelişen donanım teknolojisi sayesinde görüntü işleme ve üretme süreçlerini de kolaylaştırması ile tasarım sürecine katkı sağlaması her geçen gün daha da mümkün olmaktadır. Bilgisayar destekli tasarımın tasarım sürecine etkisi ve yapay öğrenme algoritmalarının potansiyelleri düşünüldüğünde; "Yapay öğrenme algoritmaları mevcut tasarımların yer aldığı büyük veri havuzlarından çıkarımlarda bulunarak tasarımın erken aşamasında destekleyici unsur olabilir mi?" çalışmanın temel araştırma sorusunu oluşturmaktadır. Bu sorunun etkisi ile çalışma kapsamında bir bilgisayar destekli tasarım aracı geliştirilmesi hedeflenmiştir. Daha sonra tasarımcıların mevcut tasarımlardan etkilenmesi ve örnekler inceleyerek tasarım sürecini yönlendirmesi pratiği düşünüldüğünde; "Geliştirilecek bir araç, tasarımın erken aşamalarında tasarımcının etkilendiği mevcut veriler arasında bağlar kurup, sentetik çıktılar üreterek, tasarım düşüncesini oluşturacak veya değiştirecek ilham kaynakları sunabilir mi?" sorusu temel araştırma sorusunu desteklemektedir. Ayrıca tasarım sürecinde, tasarımcının mevcut tasarımlarla etkileşimde bulunabilmek için temsillerden yararlanması göz önünde bulundurularak ortaya çıkan; "Tasarımın erken aşamasına odaklanan içgörü sağlayan sentetik görsel üretim süreci belirli mimari temsil yöntemleri üzerinden sürdürebilir mi?" sorusu da temel araştırma sorusunu desteklemektedir. Bu sorulardan yola çıkılarak bu çalışmada tasarımın erken aşamalarında tasarımcının etkilendiği tasarımlar arasında bağlar kurup, sentetik çıktılar üreterek tasarımcının alternatif üretimine destek verecek ve içgörü sağlayabiliecek temsiller sunmak amaçlanmıştır. Belirlenen amaç doğrultusunda tasarımcının kullanıcı rolünde olduğu bir tasarım aracı üretimi hedeflenmiştir. Bu doğrultuda araştırma temel olarak uygulamaya dayalı araştırma yöntemine dayandırılmıştır. Bu araştırma yöntemi deneysel yöntem, durum çalışması ve kullanılabilirlik olmak üzere üç araştırma yöntemi ile desteklenmiştir. 
Araştırmada tasarımın erken aşamalarında, tasarımcının sürece destek için kullandığı bir pratik olan mevcut tasarımların incelenip üzerinde varyasyonlar oluşturularak özgün bir tasarım ortaya koyma girişimi, uygulama yöntemi olarak ele alınmıştır. Bu amaç ve yöntemi temel alarak potansiyel yapay öğrenme algoritmaları ve bu algoritmalarla geliştirilen çalışmalar incelenmiştir. İncelenen algoritmaların geliştirilmesi hedeflenen araçta kullanımının uygunluğunun belirlenmesi için öncül çalışmalar yapılmıştır. Tezin araştırma yöntemini destekleyen deneysel yöntemi oluşturan bu öncül çalışmalarda çekişmeli üretici ağlardan yararlanarak sentetik cephe görselleri üretilmiş, difüzyon modellerinden yararlanarak metin girdisi ile sentetik mimari kesit görselleri üretilmiş ve mevcut görseller düzenlenmiştir. Öncül çalışmalar sayesinde incelenen algoritmaların potansiyelleri görülebilmiş ve  bu algortimaların geliştirilecek araçtaki rolleri kararlaştırılmıştır. Öncül çalışmalardan gelen tecrübe verilerinden yararlanılarak Mimari Kesit Aracı olarak isimlendirilen erken tasarım sürecine destek olan bir araç geliştirilmiştir. Aracın geliştirilme ve test edilme süreçlerinde bir temsil yöntemin ve bir mimari öğeden faydalanılmıştır. Bu süreçte faydalanmak için belirlenen temsil yöntemi barıntırdığı veri açısından üretilecek yapının daha fazla tasarım katmanına ulaşması, birden fazla düzlemi tek bir temsilde barındırabilmesi, bir yapının birden fazla katını, mahalini ve bu öğeler arasındaki ilişkiyi aynı anda temsil edebilmesi nedeniyle kesit olmuştur. Ayrıca kesitin tasarımın teknik ve sanatsal yönlerini de tek bir temsilde barındırabilmesi sayesinde bir çok tasarım sorununa çözüm bulmaya olanak sağlaması da bu temsil yönteminin seçilmesinde etkendir. Yine geliştirme ve test edilme süreçlerinde faydalanmak için belirlenen mimari öğe ise kesit temsilinin tasarım sürecine daha fazla katkı sağladığı düşünülen oditoryum olarak belirlenmiştir. Oditoryum öğesinin birden fazla düzleme sahip olması, mahaller arasındaki ilişkinin geçirgen ve çok bağlantılı olması nedeni ile kesit oditoryum tasarım sürecine kolayca katkı sağlayacak temsil yöntemidir. Bu temsil yöntemi ve mimari öğeden faydalanılan aracın geliştirme ve ön test aşamaları tezin araştırma yöntemini destekleyen durum çalışmasını oluşturmaktadır. Geliştirilen ve ön test aşaması tamamlanan araç temel olarak 2 kısımdan oluşmaktadır. 1. kısım kullanıcı sentetik olarak üretilmiş oditoryum kesiti görselleri barındıran kütüphaneden 2 görseli seçip girdi olarak kullanarak yeni sentetik kesit görseli üretebilmektedir. 2. kısımda ise üretilen bu görsel kullanıcıdan alınan metin girdiler ve diğer değişkenler ile düzenlenebilmektedir. Geliştirilen ve ön testleri tamamlanan araç tasarımcıların kullanımına sunulmuş ve bu kullanım süreçlerinden veriler toplanmıştır. Tezin araştırma yöntemini destekleyen kullanılabilirliği oluşturan bu kısım için öncelikle bir deney kurgulanmıştır. Kurgulanan deneyde kullanıcı katılımcılara bir görev verilmiş ve bu görev doğrultusunda Mimari Kesit Aracı ile sentetik oditoryum kesiti görselleri üretmeleri istenmiştir. Bu deney anonim katılımcılar ile tamamlanmış ve veriler elde edilmiştir. Daha sonra bu veriler araçla ilgili geri bildirimlerden yararlanılarak kullanılabilirlik, katılımcıların kullanım örüntülerinden yararlanılarak etkileşim yöntemi ve katılımcıların metin girdi kullanımlarından yararlanılarak etkileşim düzeyi olmak üzere üç değerlendirme başlığında değerlendirilmiştir.
Elde edilen tüm veriler ile geliştirilen araç temel alınarak, belirlenen amaç doğrultusunda yapay öğrenme algoritmalarının erken tasarım sürecindeki potansiyelleri tartışılmıştır. Tasarımcıların katılımıyla test edilen araç ile erken tasarım sürecine odaklanılarak geliştirilmesi nedeniyle düşük detay seviyelerine sahip çıktılar üretilmiştir. Ancak katılımcılara göre üretilen sentetik görsellerin tasarımcılarda içgörü oluşturulması hedefini karşılamıştır. Bu çalışmanın özgün katkısı olarak; tasarım sürecinde kullanılan bir yöntemi uygulama yöntemi olarak belirleyip bu doğrultuda bilgisayar destekli bir araç geliştirilmesi, bu aracı geliştirirken güncel yapay öğrenme algoritmalarından yararlanılması ve bu algoritmaların birbiri ile entegre bir biçimde çalışabilmesine olanak sağlanması, aracın geliştirilmesinde faydalanılan yapay öğrenme algoritmasının eğitilmesi için yeni bir veri seti oluşturulması, geliştirilen aracın test edilmesi ve çalışmanın hipotezinin geçerliliğinin değerlendirilmesi için bir kullanıcı deneyi kurgulanması ve uygulanması, kullanıcı deneyi ile katılımcılardan elde edilen verilerle yapay öğrenme algoritmalarını tasarım sürecinde bir arada kullanmaya olanak sağlayan bir aracı tasarımcıların erken tasarım sürecinde kullanımları ve üretimlerinin değerlendirilmesi düşünülmektedir. Ayrıca uygulamaya dayalı araştırma yöntemini temel alarak deneysel yöntem, durum çalışması ve kullanılabilirlik yöntemlerini birleştirerek desteklenen tezin araştırma yöntemi de çalışmanın özgün katkısı olarak düşünülmektedir. Oditoryumlara ve kesite odaklanarak geliştirilen araçtan yola çıkılarak gelecek çalışmalarda farklı mimari öğelerle ve temsil yöntemleriyle çalışmalar gerçekleştirilebilir. Ayrıca aracın temelinde yer alan görüntü üretme ve işlemeye olanak sağlayan yapay öğrenme modellerinden çekişmeli üretici ağlar ve difüzyon modellerine dayanan teknik altyapısı, aracın farklı tasarım süreçleri için geliştirilmesine de olanak sağlayabilir. Böylece mimari tasarım sürecinin farklı aşamalarında kullanılan yapı bilgi modelleme uygulamalarına dahil de edilebilir.

Abstract:
There are questions to be answered and problems to be solved at every stage of architectural design, which is a multi-layered and complex process. While seeking solutions and answers to these questions and problems, designers make use of existing designs. It is a practice that designers use to support the design process by examining existing designs and creating variations on them to create an original design. Recently, thanks to the widespread use of the internet, designers can easily access existing designs and find answers and solutions to questions and problems that affect the design processes. Especially in the early design stages, while designers create the first design idea, making use of existing designs and making inferences by analysis, evaluation and interpretation are the first steps of the design process. However, the big data provided by the internet causes another problem in the support process for designers. Obtaining the desired information from big data that hosts excess data creates difficulties for designers. On the other hand, computer-aided design methods, which have been in the life of designers for a long time, accelerate and facilitate the design processes. Recently, one of the main elements that allow to easy extraction of desired data from big data is machine learning algorithms. It is more possible for machine learning algorithms to contribute to the design process by facilitating the image processing and generating processes thanks to the developing hardware technology day by day. Considering the effect of computer aided design on the design process and the potentials of machine learning algorithms; "Can machine learning algorithms be a supporting element in the early-stage design by inferring from big data that hosts existing designs?" constitutes the main research question of the study. With this question effect, it is aimed to develop a computer aided design tool within the scope of the study.  Considering the practice of designers being influenced by existing designs and directing the design process by examining examples; "Can a tool to be developed provide inspiration to create or change design thinking by creating synthetic outputs and making connections between existing data that influences the designer in the early-stages design?" question supports the basic research question. In addition, in the design process, the designer's use of representations to interact with existing designs; "Can the inspiring synthetic visual production process, which focuses on early-stage design, be advanced through certain architectural representation methods?" question also supports the basic research question.  Based on these questions, this study is aimed to generate synthetic outputs that will support the designer's alternative generating and will be a source of inspiration by establishing the connection between the designs that the designer was influenced by in early-stage design. In line with the determined purpose, it is aimed to present a design tool in which the designer is the user. In this direction, the research is basically based on the practice-led research method. This research method was supported by three research methods: experimental method, case study and usability. 
In this research, an attempt to reveal an original design by examining existing designs, which is a practice used by the designer to support the process in the early-stage design, and generate variations on it, is considered a practice method. Based on this purpose and method, potential machine learning algorithms and studies developed with these algorithms are examined. Preliminary studies were carried out to determine the suitability of the used algorithms in the targeted tool to be developed. In these preliminary studies, which constitute the experimental method supporting the research method of the thesis, synthetic facade images were produced by using generative adversarial networks, synthetic architectural section images were produced with prompt text input by using diffusion models, and existing images were edited. Thanks to the preliminary studies, the potentials of the examined algorithms could be seen and the roles of these algorithms in the tool to be developed were determined. A tool that supports the early design process, called the Architectural Section Tool, has been developed by utilizing the experience data from the preliminary studies. A representation method and an architectural element were used in the development and testing of the tool. The representation method determined to benefit from this process has become the architectural section because of the data it contains. The architectural section reaches more design layers of the building to be produced. It can accommodate more than one plane in a single representation and it can represent more than one floor, spaces of a building and the relationship between these elements at the same time. In addition, the fact that the section can accommodate the technical and artistic aspects of the design in a single representation, allowing to find solutions to many design problems, is also a factor in the selection of this representation method. Again, the architectural element determined to benefit from the development and testing processes was chosen as the auditorium, which is thought to contribute more to the design process of the architectural section representation. Since the auditorium element has more than one plane and the relationship between the spaces is permeable and multi-connected, the architectural section is a representation method that will efficiently contribute to the auditorium design process. The development and pre-test stages of the tool, which uses this representation method and architectural element, constitute the case study that supports the research method of the thesis. The developed and pre-test phase of the vehicle is basically composed of 2 parts. In the first part, the user can produce a new synthetic section image by selecting 2 images from the library containing synthetically produced auditorium section images and using them as input. In the second part, this visual produced can be edited with prompt text inputs and other variables taken from the user. The developed and pre-tested tool was made available to designers and data was collected from these usage processes. For this part, which constitutes the usability supporting the research method of the thesis, an experiment has been designed first. In the designed experiment, the user participants were given a task and in line with this task, they were asked to produce synthetic auditorium architectural section visuals with the Architectural Section Tool. This experiment was completed with anonymous participants and data were obtained. Then, these data were evaluated under three evaluation headings: usability by using feedback about the tool, interaction method using participants' usage patterns, and interaction level using participants' prompt text input usage.
Based on all the data obtained and the developed tool, the potentials of machine learning algorithms in the early design process were discussed in line with the determined purpose. With the tool tested with the participation of designers, outputs with low levels of detail were produced due to the focus on the early-stage design. However, the synthetic images produced according to the participants met the goal of creating insight into the designer's minds. Determining a method used in the design process as a practice method and developing a computer-aided tool in this direction, making use of up-to-date machine learning algorithms while developing this tool and enabling these algorithms to work in an integrated manner, creating a new dataset to train the machine learning algorithm used in the development of the tool, developing and implementing a user experiment to test the developed tool and evaluate the validity of the study's hypothesis, evaluation of designers' use and production in the early-stage design of a tool that allows using machine learning algorithms together in the design process with the data obtained from the participants through user experimentation is considering as the original contribution of this study. In addition, the research method of the thesis, which is supported by the experimental method, case study and usability methods, which is based on the practice-led research method, is considered the original contribution of the study. Starting from the tool developed by focusing on the auditoriums and the section, future studies can be carried out with different architectural elements and representation methods. In addition, the technical infrastructure of the tool, which is based on machine learning models that allow image generation and processing, which is based on generative adversarial networks and diffusion models, may also allow the tool to be developed for different design processes. Thus, it can be included in building information modelling applications used at different stages of the architectural design process.