Yapı teknolojisi eğitiminde parametrik YBM destekli pedagojik yöntemlerin değerlendirilmesi
Evaluation of parametric BIM-enabled pedagogical methods in construction technology education
Yazar: MEHMET ÜMİT METERELLİYOZ
Danışman: DOÇ. DR. OZAN ÖNDER ÖZENER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Bilişim Ana Bilim Dalı / Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Çok boyutlu bir metodoloji, süreç ve teknoloji olan Yapı Bilgi Modellemesi (YBM), mimarlık ve inşaat sektöründe bütünleşik ve bilinçli öğrenme için önemli pedagojik potansiyellere sahiptir. Özellikle yenilikçi mimarlık mühendislik ve inşaat (MMİ) uygulaması için YBM ve Entegre Proje Teslimi (IPD) yöntemlerinin hızla benimsenmesi ve yaygınlaşması, mimarlık eğitiminin farklı disiplinlerarası alanlarına odaklanan yeni, disiplinlerarası ve bütünleştirilmiş eğitim çalışmalarını önemli ölçüde motive etmektedir. 
Mimarlık, mühendislik ve inşaat endüstrisindeki artan ilgiye ayak uyduran birçok mimarlık ve inşaat mühendisliği okulu, özellikle son on yılda YBM'yi eğitim programlarına entegre etmek amacıyla farklı ve yeni stratejiler uygulamıştır. Bu çalışmalar için temel itici güç, YBM kullanımı üzerinden yüksek bina performansına yönelik talep ile uygulama alanında YBM yöntemlerinin kritik öneme sahip hâle gelmesi olarak özetlenebilir. Bu bağlamda uygulamaya yönelik eğitimde YBM merkezli dönüşümler, pedagojik bir gereklilik olarak ortaya çıkmaktadır. Parametrik yapı bileşenlerine sahip mevcut YBM araçları, içerisine gömülü imalat ve inşa yöntemleri ile akıllı yapı nesnesi davranışları, performans simülasyon modülleri ve hızlı geri bildirim mekanizmalarıyla yüksek performanslı tasarım ve entegre yapı sistemlerini öğrenmek için eğitim süreçlerini önemli ölçüde değiştirme potansiyeline sahiptir. Farklı bir bakış açısıyla YBM metodolojisi, tüm yapı süreçlerini hesaplamalı, parametrik ve ilişkisel davranışlarla tanımlarken fiziksel gerçekliğe çok yakın bir düşünme ve uygulama ortamı sağlar. Bu avantajlara ve potansiyellere rağmen YBM araçlarının endüstri merkezli çözümler olarak mevcut durumu, eğitim kullanımı için hâlâ birçok zorluğa sahiptir ve iyi organize edilmiş vaka çalışmaları yoluyla kişiye özel strateji ve yaklaşımları gündeme getirmektedir. Bu aynı zamanda okullarda YBM'nin ayrı bir konu olarak öğretilmesinin -ki bu hızlı, basit ve nispetten etkili bir yanıttır- veya YBM'nin eğitiminde yukarıda belirtilen potansiyellerini gerçekleştirebilecek belirli mimari, tasarım ve inşaat alanlarında bilgi edinme ve yürütme bağlamında YBM anlayışı sağlama tartışmasını da beraberinde getirmektedir. 
Bu tez çalışmasının amacı, mimarlık eğitiminin en erken aşamalarında yapı sistemleri ve teknolojisi konularının öğrenilmesi için Yapı Bilgi Modellemesi (YBM) destekli pedagojik yaklaşımların potansiyellerini araştırmaktır. Çalışmanın kapsamı, YBM ile yapı sistemleri ve teknolojisinin kesiştiği noktada öğrenme süreçlerinin analizi ve değerlendirilmesi ile bulgulara ve araştırma çalışmasına dayalı olarak ders ve eğitim 
programlarının oluşturması için kullanılabilecek yeni ve kanıta dayalı bir pedagojik çerçeve önerisi oluşturmaktır. Araştırma, mimarlık eğitiminin erken aşamalarında yapı sistemlerinin ve YBM'nin öğrenme sürecine odaklandığı için ileri düzey eğitim deneyleri ve örneklerinden farklılaşmakta ve temel yapı sistemlerini ve teknolojisini öğrenmek için özellikle parametrik YBM yöntemlerine ve nesne yönelimli ontolojiye dayalı yeni bir pedagojik yaklaşım önermektedir. 
YBM'nin etkin olduğu bir eğitim araştırması olarak bu araştırma, bağlam içinde YBM fikrine dayanmaktadır. Çalışmanın kapsamı iki temel boyutu içermektedir: Birinci boyut YBM ile yapı sistemleri ve teknolojisinin kesiştiği noktada öğrenme süreçlerinin analizi ve değerlendirmesi, ikinci boyut ise mimarlık ve inşaat okullarında yeni dersler ve atölyeler oluşturmak için kullanılabilecek yeni bir pedagojik çerçeve önerisidir. 
Genel pedagojik açıdan bakıldığında bu çalışma, YBM'yi karmaşık yapı sistemlerinin iyi gerekçeli argümanlar ve ampirik araştırma sonuçları ile öğrenmeye yönelik teorik potansiyellerini doğrulamaktadır. Çalışma, mimarlık eğitiminin en erken aşamasında bağlam içinde YBM'yi araştırma fırsatı bulmuştur. Bu ilk aşama, çok katmanlı paylaşılan modellerle iş birlikçi öğrenci ekip çalışması YBM veri tabanı yönetimi, maliyet tahminleri, 4B inşaat görselleştirmeleri ve bina enerji simülasyonları gibi daha gelişmiş eğitim uygulamalarına zemin hazırlamak için parametrik ontoloji ve düşünceye odaklanmıştır. 
Çift kanallı bir pedagojik çerçeve kullanılan çalışmada yapı bileşenlerinin ve davranışlarının parametrik temsili üzerinden sıkı bir şekilde bütünleşen nesne yönelimli ontolojik bir yaklaşım benimsenmiştir. Araştırma sürecinde ise YBM yöntemleri aracılığıyla yapı sistem ve teknolojisi konularındaki öğrenme mekanizmalarının geniş bir şekilde anlaşılmasını sağlamak için bir dizi araçsal vaka çalışmasına altlık teşkil eden nitel bir pedagojik çerçeve ortaya koyulmuştur. Araştırma tasarımı "gömülü teori" yaklaşımına dayalı olarak katılımcı gözlemler, etkinlik kodlaması, akran ve odak grup görüşmeleri gibi nitel araştırma tekniklerini ve ardından toplanan verilerin ve araştırma bulgularının doğrulanması ve yorumlanması için derinlemesine içerik analizini içermektedir.
Vaka çalışmaları sürecinde katılımcı öğrenciler, parametrik YBM modellerinin oluşturulmasının kapsamlı anlama mekanizmaları için temel olduğu, yapı sistemleri ve teknolojisinin ana kavramlarını öğrenmek için tamamen YBM ile geliştirilmiş bir eğitimi sürecini deneyimlemişlerdir. Araştırma sonuçları; YBM destekli öğrenmenin kavramsal ve pratik avantajlarını, öğrenme süreçlerine dair deneyimler ile gözlemlenen sorunlar ve zorlukları içermektedir. Çalışma ayrıca parametrik düşünme ve modelleme yoluyla yapısal sistemlerin anlaşılması için titizlikle tasarlanmış YBM tabanlı pedagojik modüllerin mimarlık eğitimindeki dönüşüm potansiyellerine vurgu yapmaktadır.
Bu çalışmada önerilen pedagojik çerçeve ve stratejiler, araştırma bulguları üzerinden sentezlenmiştir. Çalışma içeriği, teorik modelde çok daha detaylı açıklandığı gibi ileri eğitim uygulamaları ve deneysel çalışmalar için tekrarlanabilir ve uygun şekilde aktarılabilir bilgi birikimi sağlamaktadır. Çalışma sonuçları benzer öğrenme ortamları ve ders içeriklerinin yapı bilgisi alanındaki öğrenme konuları ile ilgili YBM konularının ikili etkileşimleri etrafında geliştirilebilir olduğuna işaret etmektedir. Araştırma çalışmasından elde edilen bulgulara dayanarak, iyi tasarlanmış öğrenme ortamlarının, ayrıntılı ders içerikleri ve YBM kullanımının operasyonel sorunları için proaktif çözümler ile önemli avantajlar içerdiği söylenebilir.
Çalışmadan elde edilen bulgular ve ana motivasyonlar ışığında temel tartışma, yapı teknolojisi öğreniminin parametrik düşünme ve anlama mekanizmaları üzerinden dönüşümüdür. Bu değişim, geleneksel pedagojik yöntemlerden tamamen farklı olan ve kaçınılmaz olarak yeni stratejiler gerektiren, yeni, bilişsel ve ele tutulur beceriler getirmektedir. Bu noktada çalışma, pedagojik yenilikler için bu tür olasılıkların, YBM ve belirli öğrenme konularının sentezi yoluyla teknoloji merkezli yaklaşımlar ve hibrit öğrenme ortamları ile köklü öğretim geleneklerini değiştirerek elde edilebileceğini göstermektedir. YBM ve parametrik anlayışın benimsenmesi, bu çalışmada sunulduğu gibi bilinçli bir niyetle gerçekleştirilebilecek her düzeyde yapı ve inşaat teknolojisi için günümüz eğitimine esas olabilir.
Sonuç olarak çalışma; mimarlık mühendislik ve inşaat sektöründeki güncel gelişmelerle birlikte gelecek nesil mimarları ve inşaat profesyonellerini nasıl eğiteceğimizi değerlendirmek için gerekli argümanları sunmaktadır. Bu açıdan bakıldığında yapı teknolojisi eğitimi etrafında düzenlenen tam parametrik YBM tabanlı bir stüdyonun erken aşamalarda bile öğrencileri 21. yüzyılın teknoloji tabanlı mimarlık ve inşaat endüstrisine hazırlanması ile tasarım, üretim ve imalat yöntemlerindeki hızlı değişimlerin üstesinden gelinmesi için büyük bir potansiyele sahip olduğunu göstermektedir.

Abstract:
Because of its multi-dimensional approach, process and technology, building information modeling (BIM) has got own significant pedagogical potentials for more integrated and informed learning for architecture and construction. Rapid ratification and diffusion of BIM and Integrated Project Delivery (IPD) methods for the innovative AEC practice still motivate novel and integrated educational studies focusing on different interdisciplinary domains of architectural education.
Building systems and building technology courses have significant importance in architectural education since these courses set the knowledge basis for building production and design detailing for architectural and construction practice. From a more detailed point of view, these courses cover specific subjects like building elements design and tectonic relationships; building subsystems; materiality and material properties; requirements for structural design using existing teaching methods and graphic conventions. The learning process is mainly organized around theoretical classes and related production of 2D drawings and representations in different detail levels. Acquired know-how and abilities from these courses are directly transferred to design studios at various levels and construction project courses. However, these architectonic design and construction principles comprise many interrelated and multifaceted concepts beyond 2D projections and theoretical understandings and even they become more complex with the developing building construction methods and fabrication technologies. When approached from the BIM perspective, the majority of these topics are significantly compatible with full BIM utilization for learning in order to overcome the problems of conventional teaching and also provide students with a new learning experience for preparing them for a techno-centric AEC practice. 
The main purpose of this thesis study is to explore the potentials of BIM-enabled pedagogical approaches for learning building systems and technology in the early stages of architectural education. The scope of the study included: first, the analysis and assessment of learning advances at the intersection of BIM and building systems and technology and second, the proposition of a novel and evidence-based pedagogical framework that can be used for creating new courses and educational programs based on the findings and from the research study. Using a dual-channel pedagogical framework, the study embraced an object-oriented ontological approach tightly integrated with the parameterization of building components and their behaviors. The study employed a qualitative methodological framework within a series of instrumental case studies in order to provide a broad understanding of the learning mechanisms of building systems and technology through BIM approaches. The research design was based on the  
grounded theory approach and included qualitative research techniques like participant observations, activity coding, and peer and focus group interviews followed by an in-depth content analysis for corroborating and interpretation of collected data and research findings. Students experienced a fully BIM-enhanced course for learning fundamental concepts of building systems and technology where the creation of parametric BIM models was the main vessel for comprehensive understanding. The results show significant conceptual and practical advantages of BIM-enabled learning as well as the observed challenges in an educational context. The study also suggests positive educational transformations due to carefully devised BIM-based pedagogical frameworks for the understanding of building systems through parametric thinking and modeling. The proposed pedagogical framework and strategies in this study combined with the research findings provide replicable and conveniently transferrable know-how for further educational experiments as it is explained in the synthesized theoretical model.
This study differentiates from the advanced-level educational experiments and cases as it is focusing on the learning process of building systems and BIM in the "early stages" of architectural education and suggests a novel pedagogic approach based on solely parametric BIM methods and object-oriented ontology for learning fundamental building systems and technology. Keeping pace with the growing interest in the AEC industry, many architecture and construction schools have implemented different and novel strategies for integrating BIM into their educational programs especially in the last decade as the key driver for these incentives, BIM-centric transformations in learning emerge as a pedagogical necessity since the demand for BIM use and high building performance has become critically important in the practice domain. In this regard, current BIM tools with parametric building components, intelligent building object behaviors with embedded assembly methods, performance simulation modules and rapid feedback mechanisms have the potential for significantly altering the educational processes for learning high-performance design and integrated building systems. From a different perspective, the BIM methodology defines all building processes in computational, parametric and relational behaviors and also provides both a thinking and application medium which is very close to physical reality. With these advantages and potentials, the current state of BIM tools as industry-centric solutions still possess many challenges for educational use and invites tailor-made strategies and approaches through well-organized case studies. This also brings the discussion of teaching BIM as a separate topic in schools —which is a quick, straightforward and relatively effective response— or providing BIM understanding in the context of knowledge acquisition and execution in specific domains of architecture, design and construction which may realize the aforementioned potentials of BIM in education.
Beyond its operational capabilities for better visualization, modeling and documentation, BIM is a live simulative environment with parametric flexibility and object behaviors that has distinct potentials to catalyze the integrated learning processes. Students can develop both knowledge and skills through virtual design and construction using intelligent building components and quick performance feedback. As a result, the process of learning by representation can transform into learning through parametric creation and simulation of building components and systems. The main idea here is clear and it sounds effective in theory, but the task requires relatively more effort for linking the course content with a decent level of BIM literacy and multi-dimensional parametric understanding. 
The research study employed instrumental case study methods within a qualitative and exploratory educational inquiry. The methodological framework of the study was based on the qualitative "grounded theory" approach as it enables educational researchers to explore the theoretical reach of novel pedagogies and to provide tacit meanings and explicit processes for learning mechanisms. This approach is also suitable for educational research in architecture in the real-world context with empirical inquiry in design studio settings. Aligned with the previous studies using this methodological approach, the research objective was to explore students' perspectives and actions in a BIM-enabled learning process and generate an in-depth theoretical understanding through the synthesis of a suggestive pedagogical model. As the initial stage of the research study, a thorough literature search was made to devise an experiential pedagogical framework organized around parametric BIM ontology and problem-based learning (PBL) methods for further exploration. Using this prototypical framework, a series of instrumental case studies were conducted in the Department of Architecture at Bolu Abant İzzet Baysal University to understand the learning mechanisms focusing on building systems and explore the potentials of BIM-enabled learning in the subject context. The research design included one "control group study" and three iterative "intervention group studies" to make evidence-based comparisons between conventional approaches and BIM-enabled pedagogies for learning building systems and related construction technologies. During these case studies, qualitative research techniques were used like "participant observations" and on-site "peer interviews" through activity coding and field notes. Following the control and intervention group case studies, several "focus group interviews" were conducted to evaluate the BIM-enabled learning experience from the perspective of study participants. Collected data from these stages were transcribed, coded, and analyzed with "content analysis" methods for corroborating and interpretation of the research findings. As the outcome of the research study, the proposed "dual-channel pedagogical model" was conceptualized around the study findings and experiences from the case studies along with reasoned arguments and discussions.
From a general pedagogical point of view, this research study confirms the theoretical potentials of BIM for learning complex building systems with well-reasoned arguments and empirical research results. The study took the opportunity to introduce BIM-in-the-context in the earliest phase of architecture education. This initial stage focused on the parametric ontology and thinking for laying the foundation for more advanced educational applications like collaborative student teamwork with multi-layered shared models; BIM database management; cost estimations; 4D construction visualizations and building energy simulations. Both the prototypical pedagogical framework and strategies in this study combined with the research findings provide replicable and conveniently transferrable know-how for further educational experiments as it is previously explained in the synthesized theoretical model. Similar learning environments and course syllabi can be developed centered around the duality of specific learning subjects and the corresponding BIM topics. Based on the findings from the research study, significant advantages are evident with carefully devised learning settings, detailed course content and proactive solutions for the operational problems of BIM use. With new studies in similar educational settings, more insights and advantages will be revealed in different stages of architectural education.
In light of the findings from the study and its main motivation, the key discussion is the transformation of building technology learning with parametric thinking and understanding. This shift brings new cognitive and tactile skills that are completely apart from conventional pedagogical methods and inevitably necessitate novel strategies. Here, the study suggests that such possibilities for pedagogical innovations can be achieved by altering well-established teaching traditions with techno-centric approaches and hybrid learning settings through the synthesis of BIM and specific learning subjects. The embracement of BIM and parametric understanding can be the vessel of new-age learning for building and construction technology at all levels which can be realized with deliberate intent as presented in this study. From the social learning point of view, it can be hypothesized that BIM-enabled learning is suitable for the Y and Z generations for its highly techno-centric content —which was underlined by the students as the main motivation source and compatibility with current networked social interactions among students. 
As a conclusion, this study provides well-reasoned and evidence-based arguments for changing how we educate future-generation architects and construction professionals along with the current developments in the AEC. From this perspective, a full parametric BIM-based studio —even in the early phases, organized around building technology education has vast potential to tackle the rapid changes in design, manufacturing and fabrication methods for preparing students for a knowledge-based AEC industry of the 21st century.