Yapı bilgi modelleme süreçleri için algoritma destekli yaklaşım önerisi
Algorithm aided approach for the processes of building information modelling
Yazar: ŞEYMANUR YILDIRIM
Danışman: YRD. DOÇ. DR. SEMA ALAÇAM
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilişim Ana Bilim Dalı / Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Teknolojinin evrimi ile birlikte tasarım yöntemleri de çeşitlenmektedir. Bu çeşitlenmenin sonucu olarak farklı ortamların bütünleşik sistemlere dönüşme ihtiyacı belirmektedir. Bu dönüşüme cevap olarak ortaya çıkan "Yapı Bilgi Modelleme"de (YBM) 2000'li yıllarda mimarlık, mühendislik ve inşaat sektöründe yaygınlaşmıştır. Nesne tabanlı çalışan YBM araçları, tasarım ve belgelemede, geleneksel 2B çizim yöntemlerinden ayrışarak tek bir dosyada tüm kullanıcıların eş güdümlü çalışmasını sağlamaktadır. Projenin tüm aşamalarına dahil olması ile birlikte tasarım, inşaat, işletme süreçlerinde CAD ile çalışılan döneme göre proje sürecinde karşılaşılabilecek problemlerin başlangıçtan itibaren öngörülebilmesi, kaynakların doğru ve kontrollü yönetilmesini sağladığı için daha verimli bir proje süreci oluşturulabilmektedir. Ancak, projelendirme sürecinde hala diğer aşamalara göre daha fazla emek ve zaman harcanması gerekmektedir. Bu durum bir problem tespiti olarak belirlenip, bu problemin algoritma destekli yaklaşımlar ile çözülebileceği tez kapsamında önerilmektedir. Bu amaçla, YBM ve algoritma destekli yaklaşımların bütünleştirilmesi irdelenmektedir. Algoritma Destekli YBM, YBM metodolojisi ile tasarımlara mantıksal olarak uygulanan kuralları uygulama sürecini kapsamaktadır. Algoritma veya hesaplama ile daha verimli çözümler elde etmek için, kısıtlamalar, kural setleri ve tasarım gereksinimleri temel alınarak, kararların programlanmasını sağlanmaktadır. Hazırlanan kural setleri veya algoritmalar ile kullanıcının tasarım problemine yaklaşımını ve bilgi birikimini aktarabilmesini de sağlamaktadır. Bu şekilde, projelendirme aşamasında harcanan iş gücü ve zaman kayıpları azaltılabilmektedir. Ancak, Algoritma Destekli YBM ile gelen yeni iş adımlarında oluşturulan algoritmaların, YBM süreçlerindeki gibi farklı kullanıcılar tarafından kullanılıp, yönetilebilmeleri gerekmektedir. Dolayısıyla, algoritma destekli YBM'ye geçiş ile başlayan yeni iş adımlarında da paydaşların iş birliği içinde çalışabilecekleri ortama ihtiyaçları vardır. Aksi takdirde, kısıtlı kullanıcı arasında kullanılmasından dolayı, diğer kullanıcılar ile eş güdümlü çalışmada yaşanan zorluklar ve programlama bilgi seviyesi düşük olan kullanıcıların sürece adapte olamamasından kaynaklı projelendirme sürecindeki kullanıcı yoğun iş yükleri azaltılamamaktadır.  Bu amaçla, Algoritma Destekli YBM ile gelen yeni iş adımlarında da YBM'deki gibi paydaşlar ile eş güdümlü çalışma ortamı oluşturulması hedeflenmektedir. Öncelikle, yeni iş adımlarına geçişe sebep olabilecek etmenler belirlenmektedir. Bu etmenler yoğun iş yükü ile algoritma destekli yaklaşımların iş yükü arasında bir denge veya en iyileme arayışı kırılma noktaları olarak tanımlanmaktadır. Projelendirme evresinde kullanıcıya yoğun iş yükü ve zaman kayıplarına sebep olan projenin LOD seviyesi, nB sayısı, olgunluk seviyesi, paydaşların sayısı, projenin karmaşıklık düzeyi, projenin ölçeği ve benzer işlerin tekrarlanma sayısına göre tespit edilmektedir. Kırılma noktaları yeni iş adımlarına hangi durumlarda, hangi içerikte, hangi ölçekte, hangi frekansta gerekli olduğunu irdelemek ve benzer örüntülerde, benzer yaklaşımların oluşturulabilmesi için hazırlanmaktadır. Ardından, kullanıcıların birbirlerine bağımlılıklarını azaltmak ve yeni iş adımlarına kolay adapte olabilmesini sağlamak için şirket içi standartlar oluşturularak projelendirme evresinde kullanıcının emek ve zaman harcadığı işlerden kaynaklı gerilimi azaltmak için algoritmaların anlaşılabilirliğini arttırmak için önerilmektedir. Oluşturulan yaklaşımın geçerliliğini, eksik yönlerini ve doğruluğunu test etmek için, tasarım süreci devam etmekte olan bir metro projesi ile incelenmektedir. Tek bir proje üzerinden projelendirme süreci ön, kesin ve uygulama olarak üç aşamada değerlendirilmektedir. İlk olarak, projelendirme sürecinde kırılma noktalarına sebep olabilecek etmenler incelenmektedir. İkinci olarak, mevcut proje adımları algoritma destekli yöntemler ile yeniden değerlendirilip iş yükü ve zaman kayıpları minimuma indirilerek, süreçte en iyileme sağlanmaya çalışılmaktadır. Son olarak, şirket içinde farklı kullanıcıların da katılımı için uygulama standartları değerlendirilmektedir. Metro tasarım süreçlerinin bir hat üzerinden derinlemesine analizi sonucunda, kullanıcının yoğun emek ve zaman harcadığı uygulamaların Algoritma Destekli YBM ile aşılabileceği görülmektedir. Ancak, algoritma destekli iş adımlarında standartların olmaması  yalnızca iyi programlama bilen kullanıcıların bu sürece dahil olabileceği ve diğer kullanıcılara yeni iş adımlarının nasıl çalıştığı öğretilse bile en küçük bir problemde ileri düzeyde programlama bilen kullanıcılara olan ihtiyaçları, süreçte beklenenden daha fazla duraklamaya ve zaman kayıplarına sebep olmaktadır. Dolayısıyla, şirket geneline yayılmış standartların oluşması ile birlikte her problemde ya da algoritma çalıştırılmak istendiğinde ileri düzey programlama bilgisi olan kullanıcılara ihtiyaç duymadan belirli bir noktaya kadar sürecin hızlandırıldığı ve farklı kullanıcılar arasında kullanımının ve anlaşılabilirliğinin arttığı görülmektedir. Sonuç olarak, bu tez çalışması ile algoritma destekli yaklaşımların YBM ile bütünleştirilmesi gerekliliği ve Algoritma Destekli YBM ile gelen yeni iş adımlarında da çoğul katılımcı kitlesine hitap etmesi için standartların gerekliliği vurgulanmaktadır. Bu amaçla, şirket içinde kullanımını yaygınlaştırmak ve projelendirme sürecinde en iyileme sağlamak için Algoritma Destekli YBM ile gelen yeni iş adımlarının uygulama yöntemine katkı sunmak için yaklaşım önerisi hazırlanmaktadır.

Abstract:
With the evolution of technology, new design tools, approaches, and methods are also emerged. Increasingly, the design environment is beginning to return to more integrated systems. Building Information Modelling (BIM) was emerged as an answer of this integrated environment and it has begun to widespread in the 2000s. Apart from conventional 2D methods, object-based BIM tools allow designing and documentation in a way that allows all users to co-operate in a single file. With the involvement of the project in all its processes, a more efficient project process can be created through accurate and controlled management of resources in the design, construction and operation processes. However, it is observed that the project process is still labor intensive and requires more labour than the other stages of the project. This situation is determined as a problem determination and suggested in the thesis that this problem can be solved with algorithm aided approaches. For this purpose, Algorithm Aided BIM is examined. In the first chapter, introduction, purpose, content and method of the project is explained. In the second chapter, literature review is done to evaluate the definition of BIM. In the third chapter, the concept of parametric modelling is examined in context of BIM. In the fourth part, Algorithm Aided BIM is presented and adaptation of this concept from different users is evaluated. In the fifth chapter, the validity of proposal to reduce labor intensive jobs is tested through case studies. In the last chapter, a validated approach is prepared for company to supply comprehensive automation in the labor intensive jobs. 
Algorithm Aided BIM includes the process of applying rules that logically applied to project. It also enables the user to transfer the knowledge and approach to the problem with the prepared rule sets or algorithms. In this way, the effort and time lost in the project phase can be reduced. However, the algorithms created in the new workflow that comes with Algorithm Aided BIM need to be used and modified by different users like BIM processes. Therefore, in the new workflow that started with the transition to Algorithm Aided BIM, there is also a need for different users to work within the business association. Otherwise, it could lead to time lost due to lack of information between users in the project processes and the inability of users with low programming knowledge level to adapt to the new process. Therefore, efficiency of new processes is valid only limited users. This means that the automation provided in the design does not fully ensure the reduction of stress in the work process, which requires extensive labor and time in the project process, resulting from disruptions in co-ordinated work in the project process. For this purpose, it is aimed to create a cooperative working environment with different users in the new workflow as BIM process.  Firstly, the factors that may cause the transition to the new workflow are determined. The factors are determined in order to investigate the situations in which the new work flows, what content, what scale, which frequency are necessary. For this purpose, the project is defined as thresholds or breakpoints to cause the user to intensive workload and time losses in the modeling of the existing BIM workflow according to the level of LOD, number of nB, maturity level, number of stakeholders, level of complexity of the project, scale of the project, and the number of repetition of similar jobs losses is evaluated. If there is a workflow that can lead to a breakpoint, the process is re-evaluated with algorithm aided approaches.
The algorithm gives designers the ability to automate design tasks, generate parametric geometries, and differentiate the design model to perform various engineering analyzes. For this purpose, the algorithms designed to solve the design problem reduce the workload of the user. However, in the case of computational methods like BIM, standard spread across the company is required. Otherwise, it is used by the restricted user, and there are interruptions in the process due to the disconnections between users. Because of this, it is necessary to find company-wide standards that are integrated with computational approaches integrated with coordinated environments of different users like BIM. It is then proposed to increase the intelligibility of the algorithms to reduce the stress caused by the work and time-consuming work of the user in the projecting environment by creating company-wide standards to ensure that the users can reduce their dependence on each other and easily adapt to new workflow. Unfortunately, there is any official standards for Algorithm Aided BIM workflow. Because of that, usage of script language and visual programming like Grasshopper has been investigated. As a result of this study, if grouping algorithm according to definitions and project description and the purpose of the algorithm and design approach definition is used in the project process, stress reduce in project phase, to make the problem algorithmic and to increase the understandability of the algorithms. The logic of establishing the algorithm that should be standardized by the users at different levels besides the program focus. To test the validity, completeness and correctness of the constructed approach, the design process is being investigated by an ongoing metro project. The reason for preferring the metro project is that the writer has a desire to benefit from professional practice and experience and is more dependent on the collaborative working environment because preponderance of every user is almost equal to architects. Design decisions are frequently reassessed so that all stakeholders' information can form a co-ordinated model. Moreover, there are approximately 10 stations in one metro line. First station starts with low data load. Because of that, preparing project time and workload are less than other stations. However, it is forced to cope with an uncontrollable data load when the last station begins its projecting phase. Therefore, fast information access is needed in data management and project process. For the success of the project, the data and information can be easily found by all stakeholders working on the project and the access of the right information is vital. So one of the biggest challenges in large infrastructure projects is to be able to respond quickly to changes. For this reason, BIM is supported to provide stakeholders with interdependence and co-ordinated project management within a limited time. The surplus of data load and time management are considered as the tendency of the metro design processes to the algorithm supported project steps because the metro designs are carried out at different time intervals and it is preferred to test the transition method of Algorithm Aided BIM. Therefore, the more comprehensive and controlled workflows to be proposed are expected to be supported by such large infrastructure projects. The preparation of the tender with BIM in the metro project design process at the time the thesis was written is proof of the need for the architecture, engineering and construction industry to become competent in this respect. 
Design process of metro project is evaluated in three stages as preliminary, final and detail. In all phases, firstly, the factors that may cause break points in the workflow in the project phase are examined. Secondly, current project steps are being reevaluated with algorithm aided methods to try to minimize workload and time losses. Finally, application standards are assessed for the involvement of different users within the company. As a result of the whole analysis, it can be observed that the applications that the user spend intensive labor and time in the project stage can be overcome with Algorithm Aided BIM. It has been observed that the spread of algorithm aided approaches throughout the company has prevented the loss of time and unnecessary workloads. Integration of the algorithms into the project phases is not a surprise that automation will be achieved in the process, but with the standards established within the company, time and unnecessary inventories are reduced, cost and repetitive tasks are reduced and productivity is enhanced with a more comprehensive automation. Similar to BIM working environment, it is important that the multi-stakeholder working environment is also possible for algorithm aided approaches. However, without company-wide standards in the workflow, it is seen that only those who know good programming can be involved in this process. Even if the new workflow is taught to other users, there will be too many pauses and time losses in the process, as it will require advanced users in the smallest problem. Due to the fact that, with the company-wide standards, the tension at the project phase can be reduced more efficiently. However, to establish algorithm aided approach, there is a need for users with advanced level of programming knowledge. Otherwise, learning both programming and building a system can be more difficult and challenging than the traditional BIM method.
In conclusion, with this master thesis study, it is aimed to present the approach model to the companies that want to use advanced BIM tools. New approaches that come with algorithm aided approaches need to be able to be competent in this area, but in the present case there are no comprehensive study that describe these approaches. Algorithm is not a new concept but algorithm and BIM integration is new. Because of that, there is a need to application methods for the new workflow to satisfy the sector needs. For this purpose, it is aimed to prepare an approach plan to contribute to this new workflow that is developing in the sector in order to spread the usage within the company and to provide optimisation in the project phase.