Bina bilgi modelleme ile erken tasarım aşamasında karar verme süreçlerinin sürdürülebilirlik bağlamında değerlendirilmesi
Evaluation of decision making processes in the early design stage with building information modeling in the context of sustainability
Yazar: ÖMER HALİL ÇAVUŞOĞLU
Danışman: PROF. DR. GÜLEN ÇAĞDAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilişim Ana Bilim Dalı / Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Sanayi Devrimi ile başlayan, Dünya Savaşları ile devam eden ve son olarak günümüze kadar uzanan süreçte dünya tarihinde daha önce görülmemiş bir hızda değişim ve gelişim gerçekleşmiştir. Dünya Savaşlarının sonucu olarak ortaya çıkan ihtiyaçlar doğrultusunda, inşaat endüstrisi Sanayi Devriminin karakteristik özelliklerinden olan seri üretim anlayışına benzer bir pratik geliştirmiş, hızlı ve yoğun yapılaşma stratejilerinin uygulanmasıyla deneyimlenen sorunlara etkin çözüm üretme yolları tercih edilmiştir. Sanayi Devriminde kabul edilen yaygın görüş ile benzer şekilde, bu süreçte de kullanılan doğal kaynaklar maliyet olarak ucuz ve tükenmeyecek kadar bol varsayılmıştır. Böylelikle, 1900'lü yılların ortalarından itibaren dünya ekosistemine doğrudan ve dolaylı olarak kitlesel zararlar verilmeye başlanmıştır. Son elli yılda gerçekleşen gelişmeler, ortaya çıkan ihtiyaçlar ve uygulanan çözüm yollarının sonucunda; küresel olarak dünyayı etkileyen küresel ısınma sorunu, belirgin iklim değişiklikleri, ozon tabakasının incelmesi, yeraltı kaynaklarının tükenme tehlikesi, enerji sarfiyatının ve çevre kirliliğinin artması gibi yeni olumsuzluklar ortaya çıkmıştır.
Bu olumsuzlukların mimarlık mesleğini ve mimari tasarım pratiğini doğrudan değişmeye ve gelişmeye zorlamasının temel nedeni; inşaat endüstrisinin ve inşa edilmiş yapıların işletim giderlerinin ortaya çıkan bu olumsuzluklarda önemli bir paya sahip olmasından kaynaklanmaktadır. Bu duruma ek olarak, dünya nüfusunun büyük bir hızla artmaya devam ediyor olması sebebiyle inşaat endüstrisindeki üretim yoğunluğunun önemli ölçüde artacağı öngörülmektedir. Bu doğrultuda, doğal kaynaklara ve enerjiye olan ihtiyacımızın büyük bir ivmeyle katlanarak artmakta olduğu ve sürdürülebilirlik kapsamında deneyimlenen olumsuzluklara karşı yeni yaklaşımlar geliştirilmesinin önemi net bir şekilde görülmektedir.
Bu veri ve tespitler doğrultusunda dünyanın, insanoğlunun katlanarak artan ihtiyaçlarını yakın gelecekte karşılayamayacağı ve mevcut durumun sürdürülebilir olmaktan çıktığı açık bir şekilde görülmektedir. Dolayısıyla, inşaat endüstrisi özelinde problemin temelini tespit etmek ve gündemde olan küresel tehlikelere karşı önlemler almak önemli bir durum olarak ortaya çıkmaktadır.
İnşaat endüstrisi genelinde belirlenen bu olumsuzluklar mimarlık ve mimari tasarım ölçeğine indirgendiğinde, erken tasarım süreci mevcut problemlere ortam hazırlayan ve dolayısıyla çözüm üretebilecek olan en önemli çalışma alanlarından biri olarak belirlenmiştir. Bu durumun temel nedeni; erken tasarım süreci işlevsel, estetik ve mali kaygılar göz önünde bulundurularak gerçekleştirilirken, bu kriterlerle enerji etkinlik kriterleri ve çevresel faktörlerin ilişkisinin eş güdümlü olarak değerlendirilmesinin tasarımcılar için zorlayıcı olması olarak saptanmıştır. 
Bu durum üzerinde daha detaylı araştırmaların yapılmasıyla sürdürülebilirlik kriterleri ile doğrudan ilgili birçok kararın tasarımın ilk evrelerinde alındığı belirlenmiştir. Tasarımın ilk evrelerinde yapının biçimi, kabuğu, strüktür sistemi, işlevsel özellikleri, enerji verimliliği, iklim ve çevresel etkenlerle ilişkisi bazı bitirme malzemelerinin seçimi gibi tasarım ürününe ait birçok önemli karar; yeterli bilgiye sahip olmaksızın verilmekte ve bu durum nihai tasarım ürününün çevresel, iklimsel veya coğrafik gerçekliklerle uyumlu olamaması ve ekolojik anlamda zararlı olabilmesi durumuna neden olmaktadır.
Yakın geçmişte tasarım probleminin niteliğine göre göz ardı edilebilir olarak kabul edilen ve tasarlanan yapının nihai etkinliğine ve estetiğine etki eden birçok etken günümüzde önem kazanmaya başlamıştır. 
Nihai tasarım ürününe ait birçok önemli kararın tasarımın ilk evrelerinde alınıyor olması; alınan bu kararların ilerleyen evrelerde değiştirilmesinin zaman, iş gücü ve ekonomik anlamda büyük zorluklara neden olması ve bunun sonucu olarak tasarım ürünüyle ilgili arzu edilen düzenlemelerin yapılamamasından dolayı; tasarımın ilk evrelerinde tasarımın performansını ölçebilen, sınayabilen; tasarım ürünü ve tasarımcıyla etkileşime girerek bu süreçte tasarımcıya destek sağlayabilecek yeni araçlara gereksinim doğmuştur. Günümüzde mimarlık, mühendislik ve inşaat endüstrisinin ihtiyaçları ile doğal etkenler arasındaki olumsuz etkileşimi azaltabilmek ve hatta sonlandırabilmek için, mimari tasarımın sahip olduğu yaratıcı düşünceyi rasyonel düşünce ile desteklemenin gerekliliği ortaya çıkmıştır. Bu bağlamda inşaat endüstrisinin birçok alanında yaygın ve etkin bir şekilde kullanılmakta olması, erken tasarım aşamasıyla ileri aşamalar arasındaki devamlılığı, etkileşimi ve iletişimi sağlayabilecek özelliklere sahip olması ve erken tasarım aşamasında deneyimlenen sıkıntılara çözüm ortamı oluşturabilecek varsayımsal, kavramsal ve ileri düzey analiz araçlarını içinde barındırması sebebiyle; geleneksel ve yenilikçi erken tasarım araç ve ortamlarına destekleyici olarak çalışabilecek yeni bir çalışma ortamı olarak Bina Bilgi Modelleme öne çıkmıştır.
Bu bağlamda, Bina Bilgi Modelleme ortamları için kütle tasarım araçları geliştirilmiş ve ortamın bu kütle modelleri üzerinde enerji modellemesi, potansiyel yenilenebilir enerji analizi ve güneş-gölge analizi gibi kavramsal analiz ve simülasyonlar yapabilmesi sağlanmıştır. Böylelikle, tasarımcılara erken tasarım aşamasında dahi tasarımlarını belirli kavramsal ve varsayımsal girdiler ile sınayabilme ve çalışmalarını sürdürülebilirlik bağlamında değerlendirebilme ortamı sunulmuştur.
Bu çalışmanın birincil amacı, erken tasarım aşamasında Bina Bilgi Modelleme ortamlarının sunduğu yeni tasarım araçlarının, tasarımcıların ilk tasarım kararları üzerindeki etkisini sürdürülebilirlik bağlamında incelemek ve erişilen bulguları irdelemektir. Bu amaca ulaşabilmek için belirlenmiş olan araştırma soruları aşağıda paylaşılmıştır:
o Protokol çalışmalarında hangi fiziksel ve bilişsel tasarım eylemleri ne yoğunlukta ortaya çıkmaktadır? 
o Katılımcıların bu çalışma süreçleri kapsamında gerçekleştirdikleri tasarım eylemlerinin dağılımı bağlamında, herhangi bir benzerlik veya farklılık tespit edilebilmekte midir?
o Katılımcılar Bina Bilgi Modelleme ortamında erken tasarım aşamasında gerçekleştirdikleri çalışmalarda sürdürülebilirlik ile ilgili hangi başlıklar altında ve ne yoğunlukta karar almaktadır? 
o Bu bağlamda, Bina Bilgi Modelleme ortamının sağladığı geri beslemeler, erken tasarım kararlarının alınma sürecine ne gibi katkı ya da etkilerde bulunmaktadır?
Bu bağlamda, öncelikle tez konusu ile ilgili kuramsal altyapı oluşturulmuş ve ardından uygulama çalışmalarının gerçekleştirilmesi süreci başlatılmıştır. Uygulama çalışmaları süresince tasarımcıların Bina Bilgi Modelleme ortamında aldığı ilk tasarım kararları incelenmiş ve ortamın sunduğu olanakların tasarımcıların ilk tasarım kararları üzerindeki etkisi irdelenmiştir. Literatür araştırması kapsamında yorumlanmış olan bilgiler ışığında, tez çalışması kapsamında gerçekleştirilmiş protokol çalışmaları ve bu uygulamalardan elde edilmiş sonuçlar aynı bağlamda değerlendirilmiş ve Bina Bilgi Modelleme ortamının tasarımcıların ilk tasarım kararları üzerindeki etkileri saptanmış ve tartışılmıştır.
Tezin amaç ve hedefleri doğrultusunda belirlenen araştırma konusunu incelemek ve araştırma sorularına cevap bulabilmek için Bina Bilgi Modelleme ortamında erken tasarım uygulamaları, asgari katılımcı olma şartlarını sağlayan ve gönüllü olarak katılımcı olmayı kabul eden 3 kişilik bir katılımcı grubuyla protokol çalışmaları olarak gerçekleştirilmiştir.
Protokol çalışmaları süresince veri toplanması için tasarım ve biliş bilimi arakesitinde yapılan çalışmalarda yaygın olarak kullanılan sesli düşünme tekniği birincil veri toplama yöntemi olarak kullanılmıştır. Ayrıca, sesli düşünme süreçleri ile eş güdümlü olmak üzere çalışma sürecinin ses ve görüntü kaydı alınmıştır. Böylelikle, metin tabanlı sözel ve ayrıca görsel veriler elde edilmiş ve kaydedilmiş görüntüler aracılığıyla araştırmacının çalışma süreçlerini yeniden deneyimleyebilmesi mümkün hale gelmiştir. Sesli düşünme yöntemine ek olarak, protokol çalışmalarının tamamlanması sonrasında katılımcılarla yarı yapılandırılmış ve açık uçlu mülakatlar yapılmıştır. Böylelikle, katılımcıların tez konusu kapsamında gerçekleştirdikleri bilişsel eylemlerle ilgili düşünceleri hakkında derinlemesine bilgi edinilebilmesi ve veri toplanabilmesi sağlanmıştır. Ayrıca, bu yöntem ile doğrudan katılımcılardan edinilen bu geri bildirimler protokol çalışmalarının geçerliliğinin sınanması amacıyla da kullanılmıştır. Bu verilerin çözümleme işleminin gerçekleştirilmesi için tasarımda biliş alanında kabul görmüş ve sıklıkla kullanılan bir yöntem olan protokol analizi yöntemi tercih edilmiş ve tez çalışmasının amacı doğrultusunda geliştirilen kodlama şeması, toplanan veriler üzerinde uygulanarak bulgular elde edilmiştir.
Bu bulguların değerlendirilmesi ve yorumlanmasıyla tez çalışmasının araştırma soruları cevaplanmış ve elde edilen sonuçlar tartışılmıştır. Bu bağlamda, katılımcıların tasarım sürecini gerçekleştirme ve tasarım problemine çözüm üretme yaklaşımları bakımından benzerlik ve farklılık gösteren durumlar nitel ve nicel olarak paylaşılmıştır. Katılımcıların erken tasarım aşamasında çalışmalarını gerçekleştirdikleri Bina Bilgi Modelleme ortamının hangi kavramsal sürdürülebilirlik çıktıları üzerinde ne yoğunlukta karar aldıkları ve ortamın sağladığı bu geri beslemelerin sürdürülebilir tasarım uygulamalarında karar alma süreçlerine ne gibi etkilerde bulunduğu tartışılmıştır. 
Bu incelemeler sonucunda, protokol çalışmaları süreçlerinin genel bir perspektiften incelenmesiyle, katılımcıların uygulama süreçlerinin önemli bir kısmını eskiz ve 3B'lu model üretimi için kullandıkları görülmüştür. Bir diğer deyişle, tasarımcıların sürdürülebilirlik bağlamında gerçekleştirdiği çalışmaların, tasarım çalışmalarına göre daha az oranda süreyi kapsadığı saptanmıştır. Ayrıca, erken tasarım aşamasında Bina Bilgi Modelleme ortamlarının kullanılmasının geliştirilen tasarım alternatiflerinin performans değerlerini önemli ölçüde geliştirirken, tasarımcıların tasarım pratiklerini asgari düzeyde etkilediği ve hatta tasarım süreçlerini daha etkin bir şekilde sürdürebilmelerine ortam sağladığı tespit edilmiştir.

Abstract:
Starting with the Industrial Revolution, continuing with the World Wars and finally extending to the present day, there has been a change and development in world history at an unprecedented speed. In line with the needs resulting from the World Wars, the construction industry has developed a practice similar to the mass production approach, which is characteristic of the Industrial Revolution, and preferred solutions to the problems experienced by the implementation of rapid and intensive construction strategies. Similar to the widespread view adopted in the Industrial Revolution, the natural resources used in this process are assumed to be cheap and inexhaustible. Thus, direct and indirect damages to the world ecosystem has began to be inflicted since the mid-1900s. As a result of the developments in the last fifty years, the emerging needs and the solutions implemented; global warming problem affecting the world globally, significant climate changes, ozone depletion, the danger of depletion of underground resources, increased energy consumption and environmental pollution have emerged.
The main reason why these negativities force the architectural profession and architectural design practice to change and develop directly is; this is due to the fact that the operating costs of the construction industry and built structures have a significant share in these unfavorable problems. In addition, as the world population continues to increase rapidly, production intensity in the construction industry is expected to increase significantly. In this respect, our need for natural resources and energy is increasing exponentially and the importance of developing new approaches against the negative situations experienced within the scope of sustainability is clearly seen.
Based on these data and findings, it is clear that the world cannot meet the exponentially increasing needs of human beings in the near future and that the current situation is no longer sustainable. Therefore, it is important to identify the basis of the problem in the construction industry and to take precautions against the current global dangers.
When these negativities identified in the construction industry are reduced to the scale of architecture and architectural design, the early design process has been identified as one of the most important working areas that prepare the environment for the existing problems and thus produce solutions. The main reason for this situation while early design process is carried out considering functional, aesthetic and financial concerns, it is determined that coordinated evaluation of relationship between energy efficiency criteria and environmental factors is compelling for designers.
With more detailed research on this situation, it was determined that many decisions directly related to sustainability criteria were taken in the early stages of the design. In the early stages of design, many important decisions related to the design product, such as the shape of the structure, its shell, structural system, functional properties, energy efficiency, relation to climate and environmental factors, such as the selection of some finishing materials have been taken without sufficient knowledge, which results in the final design product being incompatible with environmental, climatic or geographic realities and being ecologically harmful.
In the recent past, many factors that have been regarded as negligible according to the nature of the design problem and affect the final effectiveness and aesthetics of the designed structure have begun to gain importance today.
Due to the fact that many important decisions of the final design product are taken in the early stages of the design; the fact that changing these decisions in later stages causes great difficulties in terms of time, labor and economy and as a result of this, the desired arrangements regarding the design product cannot be made; in the early stages of design there is a need for new tools to support the designer in this process by interacting with the design product and the designer. Nowadays, in order to reduce or even terminate the negative interaction between the needs of architecture, engineering and construction industry and natural factors, it has emerged that the creative thinking of architectural design should be supported by rational thought. In this context, due to the construction industry is widely and effectively used in many areas, the continuity between early design stage and advanced stages, to provide the characteristics of interaction and communication, and the problems experienced during the early design stage that can create solutions to the hypothetical, conceptual and advanced analysis tools that contain; Building Information Modeling has come to the fore as a new working environment that can work as supportive to traditional and innovative early design tools and environments.
In this context, mass design tools have been developed for Building Information Modeling environments and the conceptual analysis and simulations such as energy modeling, potential renewable energy analysis and sun-shadow analysis have been provided. Thus, the designers have been offered the environment to test their designs with certain conceptual and presumptive inputs and to evaluate their work in the context of sustainability even at the early design stage.
The primary aim of this study is to examine the impact of new design tools presented by Building Information Modeling environments on early design decisions in the context of sustainability and to examine the findings. The research questions identified to achieve this aim are as follows:
o What intensity of physical and cognitive design actions occur in protocol studies?
o Is it possible to identify any similarities or differences in the context of the distribution of design actions the participants have undertaken within the scope of these working processes?
o Under what headings and to what extent are the participants making decisions regarding sustainability in their early design process in the Building Information Modeling environment?
o In this context, how do feedbacks provided by the Building Information Modeling environment contribute to or influence early design decisions?
In this context, first of all, the theoretical infrastructure related to the thesis topic was established and then the implementation process was initiated. During the application studies, the first design decisions taken by the designers in Building Information Modeling environment have been examined and the effect of the opportunities offered by the designers on the initial design decisions of the designers has been examined. In the light of the information interpreted within the scope of the literature research, the protocol studies carried out within the scope of the thesis and the results obtained from these applications have been evaluated in the same context and the effects of the Building Information Modeling environment on the initial design decisions of the designers have been determined and discussed.
In order to examine the research topic determined in line with the aims and objectives of the thesis and to find answers to the research questions, early design applications in the Building Information Modeling environment were carried out as protocol studies with a group of 3 participants who met the minimum participant requirements and agreed to voluntarily participate.
During the protocol studies, think aloud technique which is commonly used in the studies conducted in the design and cognition intersection was used as the primary data collection method for data collection. In addition, audio and video recordings of the study process were taken in coordination with think aloud processes. Thus, it was possible to re-experience the work processes of the researcher through text-based verbal and visual data obtained and recorded images. In addition to the think aloud method, semi-structured and open-ended interviews were conducted with the participants after the completion of the protocol studies. In this way, it was provided to gain in-depth information about the participants' thoughts about cognitive actions and collect data. In addition, the feedback received directly from the participants with this method was used to test the validity of the protocol studies. In order to carry out the analysis of these data, protocol analysis method, which is accepted and frequently used in the field of cognition was preferred in the design and the coding scheme developed for the purpose of the thesis study was applied on the collected data and the findings were obtained.
By evaluating and interpreting these findings, the research questions of the thesis were answered and the results obtained were discussed. In this context, the similarities and differences between the participants' approaches to realizing the design process and producing solutions to the design problem were shared qualitatively and quantitatively. It was discussed how the Building Information Modeling environment in which the participants carried out their work during the early design stage, decided on which conceptual sustainability outputs and how much the feedback provided by the environment to the decision making processes in sustainable design applications.
As a result of these investigations, it has been determined that the use of Building Information Modeling environments in the early design stage significantly improves the performance values of the design alternatives, while minimizing the design practices of designers and even enabling them to continue their design processes more effectively. In addition, by examining the protocol studies from a general perspective, it was observed that the participants used a significant part of the application processes for sketch and 3D model production. In other words, it was found that the sustainability studies of the designers covered less time than the design studies.