Tarihi yapı bilgi modellerinde yapı bileşenlerinin anlamlıtemsili: gaziantep pişirici kasteli
Meaningful representation of construction elements inhistorical building information models: gazianteppi̇şi̇ri̇ci̇ kastel
Yazar: FATİH UZUN
Danışman: PROF. DR. MİNE ÖZKAR KABAKÇIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilişim Ana Bilim Dalı / Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Mimari analiz = Architectural analysis ; Tarihi eserler = Historic buildings

Özet:
Teknolojik gelişmelere paralel olarak, kültürel mirasın korunmasında, mimari ve arkeolojik eserlerin belgelenmesinde, dijital belgeleme araçlarının kullanımı artarak yaygınlaşmaktadır. Dijital belgeleme işlemi, kültürel mirasın fiziksel olarak korunmasını tespit eden verilere ek olarak, kent hafızasındaki sosyokültürel verilerin de belgelenmesine imkan tanımaktadır.
Tarihi yapılarda malzeme farklılıklarının, yüzey ve iç sorunlarının tespiti için temassız-tahribatsız yeni araçların ve ölçüm yöntemlerinin kullanılması önem arz etmektedir. Günümüzde kültürel mirasın belgelenmesinde fotogrametri ve lazer tarayıcıların kullanımı yaygın hale gelmiştir. Fotogrametri tabanlı ölçümler, lazer tarayıcılara göre maliyeti düşük ekipmanlar ve uygulaması kolay arayüzlerle desteklenmiş yazılımlar ile birlikte çalışır. Bu çalışmalar yüksek sayıda nokta bulutu içeren ve detaylı 3B model oluşturacak yüzey sayısına sahip, anlamlı modeller oluşturmamıza olanak sağlamaktadır.
Tarihi yapılarda sıklıkla, temassız-tahribatsız yöntemlerden biri olan termal görüntüleme (termografi) kullanılmaktadır. Termal görüntüleme, birbirinden farklı malzeme, boşluk, yüzey bozulmaları ve çatlakların bulunduğu bölümlerdeki farklı sonuçları, sıcaklık dağılımı ve ısı kayıplarını görüntüleyerek farklılıkları ayırt etmemizi sağlar. Bu yöntem ile elde edilen görüntülerin, termal kamera ile uyumlu yazılımlar aracılığıyla histografik veriler elde edilmesini ve çeşitli anomalilerin oranlarının hesaplanmasını sağlamaktadır. 
Termal görüntülemede mirasın konumu, uğradığı tahribat, yapım malzemesi gibi unsurlar, her durum için özel olarak ele alınması gereken problemlere neden olmaktadır. Her bir yapı türü için, yapının özellikleri ve sağlık durumu göz önünde bulundurularak, ihtiyaca yönelik farklı teknikler ile durum tespiti yapılması gerekmektedir. Yer altı mekanlarının görüntülenmesi ve doğru belgelenmesinde özellikle ışık ve nem açısından zorluklar olabilmektedir.  
Yer altında bulunan tarihi yapıların doğru tescili için yapılan araştırmalar giderek yaygın hale gelmektedir. Ancak tarihi yer altı yapılarının, mevcut koşulları (aydınlatma sorunları, konumu vb.) nedeniyle bu tür alanlarda yapılan çalışmalar tam olarak envantere alınamamaktadır. Bu durum bir yer altı yapısı olan Gaziantep Pişirici Kasteli'nin belgelenmesi için esaslar belirlenmesi, güncel teknoloji ile paralel olarak gelişen yeni tekniklerin uygulanması, olası sorunların tespit edilerek çözüm önerileri getirilmesi için motivasyon kaynağı olmuştur.
Dünyada eşi ve benzeri olmayan, Gaziantep'te bulunan livaslar ve kasteller 2018 yılında UNESCO Dünya Geçici Miras Listesine alınmıştır. Çalışma, bir tarihi yer altı su yolu yapısı olan Gaziantep Pişirici Kasteli örneğinde yapı bileşenleri özelinde anlamlı bir dijital belgeleme oluşturulmasına odaklanmaktadır. 
Kastel yapıları, livaslar aracılığıyla taşınan yer altı sularının toplanması ve han, hamam, camii ve mahalle meydanlarına dağıtılması işlevindedir. Aynı zamanda içerisinde bulunan mescit, hela ve çimecelik bölümleri ile toplumun çeşitli ihtiyaçlarını karşılamaktadır.
Farklı yapı malzemeleri ve yapı elemanları için fotogrametri ile elde edilen nokta bulutu verisiyle 3B modeller hazırlanabilmektedir. Termal görüntüleme araçları ile çeşitli farklılıklar tespit edilebilmektedir. Yapılan saha çalışmaları ile yapının 3B geometrisi elde edilebilmekte ve güncel sağlık durumu rapor haline getirilebilmektedir. Bahsi geçen teknikler ile oluşturulan dijital model, güncellenebilir bir bilgi modeli envanteri hazırlanmasına imkan tanımaktadır.
Çalışma hedefi doğrultusunda, ilk olarak farklı malzeme ve yapı elemanlarının tespiti için fotogrametri tekniği uygulanmıştır. Hazırlanan 3B modeller ile yüzey ve doku bilgisi elde edilebilmektedir. Oluşturulan fotogrametrik model, Yapı Bilgi Modeli yazılımında temsili geometrilerin oluşturulmasında ve temsili geometrilerin birim elemanlarına ayrılması için referans olarak kullanılmıştır. Daha sonra kaydedilen termal görüntüler ile yapının yüzey ve yüzey altı sorunları tespit edilip, Yapı Bilgi Modeli yazılımına güncel bir rapor olarak aktarılmıştır. Yapı Bilgi Modeli yazılımları kullanılarak yapıyı oluşturan birim eleman özelinde güncel ve geri beslemeli bir belgeleme yöntemi uygulanmıştır.
Mekanın yer altında olması ve doğal aydınlatmanın yetersiz olması, fotogrametri çalışmalarını olumsuz etkileyen durumlardandır. Bunun yanı sıra bir su yapısı olması sebebiyle yansımaların ve ışık kırılmalarının yüksek miktarda olması çeşitli önlemlerin alınmasına neden olmuştur. Yansıma ve ışık kırılmalarının önüne geçmek için fotograf setinin belirtilen bölümleri maskelenmiştir. Mevcut aydınlatma yerine yaygın (diffuse) aydınlatma ekipmanı kullanılmıştır. Ancak mescit bölümü sağlıklı bir fotogrametri işlemi uygulamak için yeterli hacme ve alana sahip olmadığından çalışma kapsamına alınmamıştır.
Kastel yapılarının bir yer altı su yolu yapısı olması, nem kaynaklı bozulmaları da beraberinde getirmektedir. Bu nedenle yoğun miktarda organik oluşumlar gözlemlenmektedir. Bozulmaların yoğun olduğu ve farklı malzemelerin bulunduğu bölümler dikkate alınarak termal görüntüleme uygulaması yapılacak yüzeyler tespit edilmiştir. Ölçümlerin yapılacağı yüzeyler seçilirken; malzeme farklılıkları, yapım tekniği farklılıkları, gözle görünür düzeyde bozulmaya sahip yüzeyler belirlenmiştir. Belirtilen özelliklere sahip dört farklı yapı elemanı, termal görüntüleme işleminin materyalini oluşturmuştur. Yapının yer altında olması nedeniyle, iç ortamdaki sıcaklığın denge durumuna ulaştığı gözlemlenmiştir. Bu sebeple uygulama yüzeyi belli bir sürede ısıtılmış, soğuma durumu aşamaları belirli aralıklar ile kayıt altına alınmıştır. Uygulama aşamasında, ortamın nem miktarı, yüzey pürüzlülüğü ve malzeme farklılıkları gibi değişkenler incelenmiş ve rapor haline getirilmiştir. Bu veriler, mimarlar ve restoratörler gibi ilgili alanlarda uzman kişilerin erişebilmesi ve Miras Yapı Bilgi Modeli verisi olarak aktarılabilmesi için bir bulut depolama servisi olan Google Drive klasörüne eklenmiştir.
Yapı Bilgi Modelleri (YBM) 3B nesne tabanlı modeller içerisine yapıyla ilişkili olan her türlü bilgiyi parametrik olarak saklamamıza olanak tanımaktadır. Çalışmanın son bölümünde kullanılan, bir YBM yazılımı olan Autodesk Revit 2020 kullanılmıştır. 
YBM yazılımları kullanılarak oluşturulan Tarihi Yapı Bilgi Modellerinde karşılaşılan en büyük zorluk, gerçek modelden elde edilen nokta bulutunun, hızlı ve etkili biçimde bilgi modeli olarak tanımlanamamasıdır. Bu nedenle nokta bulutunun sınırladığı alan içerisine uygun olan aile (family) grupları ile, nokta bulutunun ilgili parçasını tanımlayan "temsili geometriler" kullanılmıştır. 
Nokta bulutu için tanımlanan yapı elemanları ve bu elemanları oluşturan birim malzemeler her ne kadar bir arada çalışsalar da farklı çevresel etkilere maruz kalmaktadır. Bu nedenle termal görüntüleme yapılan yapı elemanları, birim elemanlarına ayrılacak biçimde parçalanmıştır. Bu işlem her bir eleman için ayrı ayrı veri girişi yapılabilmesine imkan tanımaktadır. Oluşturulan modüllerin ayırt edilebilmesi için her bir modüle kod numaraları verilmiştir.
Çalışmanın önceki aşamalarında hazırlanan kafes (mesh) model ile termal görüntüleme raporları, hazırlanan temsili geometrilerin içerisine parametre olarak eklenmiştir. Ancak verilerin ilgili alandaki uzman kullanıcılar tarafından erişilebilir ve güncellenebilir olması için, Dynamo görsel programlama dili kullanılmıştır. Hazırlanan Dynamo kodunda, çalışma kapsamında yapılan araştırmaların parametreleri tanımlanmıştır. Daha sonra bu parametrelere, çalışma sırasında elde edilen kafes model ve termal görüntüleme raporları eklenmiştir. Bu veriler bir tablo biçimi halinde dışarıya aktarılmıştır. Dışarıya aktarılan bu tablo, geri beslemeli olarak çalışmaktadır. Verileri içeren tablo Excel formatında oluşturulmuştur. Yeni veriler elde edildikçe güncellenebilen Excel tablosu, Dynamo aracılığıyla, Yapı Bilgi Modeli yazılımına aktarılabilmektedir. Çalışmanın birim eleman ölçeğinde bilgi sağlaması, doku ve dijital 3B modelin elde edilmesi, herhangi bir kayıp, deformasyon ve yenileme çalışmaları için yeniden üretebilme veya deformasyonları giderebilme gibi ihtiyaca yönelik işlemlerin uygulanabilmesini sağlamaktadır. Termal görüntüleme analizleri ve nokta bulutu verilerinin yanı sıra, saha çalışmalarında elde edilebilecek olan fiziksel analize dayalı verilerden, ilgili mirasın sosyokültürel bellekteki etkisine kadar her türlü bilgiyi saklama imkanı tanımaktadır.
Tarihi Yapı Bilgi Modeli süreci, bina bileşenlerinin fiziksel ve işlevsel özelliklerinin parametrik 3B nesne temsilinin oluşturulması ve yönetilmesiyle tamamlanmıştır. Yapılan çalışma, tarihi yapıların dijital olarak belgelenmesi için Tarihi Yapı Bilgi Modeli çalışmaları özelinde yeni bir bakış açısı sunmaktadır. Sadece termal görüntüleme raporları veya nokta bulutu verisi değil, aynı zamanda tarihi yapıların durum tespitinde uygulanabilen diğer yöntemler de önerilen sisteme kolayca entegre edilebilmektedir.

Abstract:
In parallel with technological developments, the use of digital documentation tools in documenting architectural and archeologic creations have become common. In cultural heritage presentation, new tools and measuring methods allow us to determine external and internal problems without causing any damage to the structure. Today, using photogrammetry and laser scanners are common. Using these techniques highly accurate 3 dimensional surface and geographical information can be collected. Photogrammetry based measurements use lower-cost equipment and software with easier to use user interfaces compared to laser scanners. But creating and processing a data set is time consuming. These studies allow us to create detailed and meaningful models with a high number of point clouds and a high number of surfaces.
In addition to non-invasive methods, in cultural heritage structures thermal imaging (thermography) is used as well. Thermal imaging allows us to differentiate the anomalies and differences by imaging the heat distribution and loss in different areas with surface deformities, cracks, different material and cavities. These detected anomalies help us take necessary measures to protect structural integrity and health of the images. Images taken via this method can be input to compatible programs to get histographic data and calculate the percentage of abnormalities.
Factors such as the location of the heritage, the damage it suffered, and the material of construction in imaging can cause problems that need to be addressed specifically for each situation. For each type of building, it is necessary to determine the situation with different techniques according to the needs, considering the characteristics and health status of the building. Visualization and accurate documentation of underground spaces can be challenging, especially in terms of light and moisture.
Due to the environmental conditions of historical underground structures,existing studies carried out in such areas cannot be fully included in inventories. Literature focuses more on objects related to transportation or other public services. Studies in the protection of underground historical buildings are extremely rare. This situation has been a source of motivation for the documentation of the Pişirici Kastel, which is an underground structure.
Livas and kastels, which are unique to Gaziantep, were included in the UNESCO World Temporary Heritage List in 2018.The subject matter of this study is the Gaziantep Pişirici Kastel which is a historical underground waterway. Kastels are used for storing the water, which is transported via livases, in order to distribute to inns, turkish baths, mosques and neighborhood squares. Additional functions include mosque; hela (latrines) and çimecelik (lawn).
In the light of current technology, the importance of digital models has emerged in parallel with the innovations in documentation techniques. This allows us to collect more detailed data specific to historical buildings. 3D models can be prepared with the point cloud data obtained by photogrammetry for different building materials and building elements. Various anomalies can be detected with thermal imaging tools. The digital model created with the aforementioned techniques enables an updateable information model inventory to be prepared.
In line with the study goal, firstly, photogrammetry technique was applied to detect different materials and building elements. Then, anomalies in selected sections were reported by thermal imaging. By using building information model software, an up-to-date and feedback documentation method was applied specific to the unit element forming the building.
In this project, photogrammetry measurements had the disadvantages of inadequate lighting and being underground. In addition to this, some additional precautions were taken due to increase reflections and refractions from water. Some parts of the photographed view were masked to reduce the reflection and refractions. Instead of normal lighting, diffuse lighting was used. The software and hardware used are AF-S NIKKOR Lens (f = 18 ~ 55 mm) and 12,3 Megapixel Nikon D5000 camera, Agisoft Metashape and Autodesk Recap. When taking photos, inner walls of the kastel were separated in six areas namely north, south, east, west, ceiling and floor. The photographs were taken from a certain distance and allowing the walls to overlap 60%. From here on abbreviated as Structure from Motion algorithm was used to process the data. But the mescit area was not included in the study due to the lack of volume and area. The data set which consists of six chunks was processed using Agisoft Metashape software. Every chunk was transferred to Autodesk ReCap, separated to layers and made suitable for Autodesk Revit 2020. The mesh model and texture map created with photogrammetry was uploaded to Google Poly, a free library containing 3D objects.
The fact that the kastel structures are an underground waterway structure brings with it moisture-induced deterioration. Therefore, dense organic formations are observed. The surfaces for thermal imaging were determined, taking into account the parts where deteriorations are intense and where different materials are located.When choosing the surfaces, different materials, differences in construction techniques and surfaces with visible deformations were identified. four different building elements which have the specified characteristics were chosen to be the material for thermal imaging. Before starting the procedure, the internal and external data was recorded with Tzone TempU03 data recorder with 30 minute intervals. Because the structure is underground, internal temperatures were stabilised. For this reason the application area was heated and the cooling process was recorded in intervals. For the thermal imaging Testo 875 thermal camera was used. At the time of the recording, the surface's humidity, roughness and material differences were studied and made into a report. Cooling stage histogram graphics were created for the materials of the structure. These datas were uploaded to a Google Drive folder, which is a cloud storage service, in order to allow experts to access and to transfer it as Historical Building Information model data.
Building Information Modelling (BIM) allows us to save all information related to the structure in 3 dimensional object based models parametrically. From the design phase of the structure to the demolition phase, all of the practices such as operations, management, renovations can be used as data. In the last part of the study, Autodesk Revit 2020 was used as a BIM program.
While using the BIM software, the hardest obstacle to tackle is defining the point cloud acquired from the real model as an information model. For this reason in order to allow the point cloud data to connect to Autodesk Revit 2020, various families were used. These families consist of libraries of structural elements such as walls, floors, windows etc. Within the family groups that are suitable for the area bounded by the point cloud, "representative geometries" that define the relevant part of the point cloud were used. The aforementioned representation geometries consist of families placed within the point cloud.
In the first stage at the BIM, the point cloud data prepared using the photogrammetry method was transferred into the program. Levels and axis planes considered as the first input of an BIM were positioned referencing the point cloud data. In the continuation of the study, components were created in the order of wall, floor and roof in accordance with the parametric design. Although the structural components defined for the point cloud and the unit materials that make up these elements work together, they are exposed to different environmental effects. For this reason, the structural components which are going to be studied thermal imaging were fragmented into building materials. This process allows for separate data entry for each material. Code numbers for each module are given in order to distinguish the created modules.
The mesh model created in the previous stages of the study and the thermal imaging reports were input as parameters in the created representative geometries. However, in order for the data to be accessible and updatable by expert users, the visual programming language Dynamo was used. Dynamo is software that can be downloaded and run in standalone "Sandbox" mode or as an add-on for other software such as Maya and Revit. It is a visual programming tool that aims to be accessible to software developers and non-developers.
The purpose of the Dynamo code prepared at this stage is, the export of the desired data in the model created in Revit, the transfer of the data obtained from the field studies into the Revit software, and the creation of an updateable base for the future studies of the expert users.
In the Dynamo code, the parameters of the researches carried out within the scope of the study were defined in line with the mentioned purposes. Later, the cage model and thermal imaging reports obtained during the study were added to these parameters. This data has been exported as an Excel spreadsheet format. The exported Excel table works with feedback. The Excel table, which can be updated as new data is obtained, can be transferred to the Building Information Model software via Dynamo.
The Historical Building Information model, which is the focal point of the study, has been prepared with reference to the point cloud. It was understood that it was necessary to optimize the photogrammetry method using various pointers and the right lighting elements for the model accuracy. At the same time, negative results were obtained by masking the surfaces with high reflectance in the prepared photo sets. However, alignment problems have been observed in shooting in narrow places such as hela and çimecelik. Since the building is underground, no data has been obtained on the thickness of the building elements on the wall.
In thermal camera measurements, the heat transfer between interior and surfaces has reached equilibrium due to the kastel structure being underground. At first, heat difference was created between the surfaces and it was observed that surfaces with the same material transferred heat at different speeds during the heat transfer process. It has been determined that the amount of deterioration on surfaces illuminated linearly by the existing lighting elements, which is one of the environmental factors, is higher than the surrounding. However, the interiors of the building could not be seen. For this reason, only surface information has been gathered.
The Historical Building Information Model process has been completed with the creation and management of the parametric 3D object representation of the physical and functional properties of the building components. The study propesesa method for digitally documenting historical buildings. Not only thermal imaging reports or point cloud data, but also other methods that can be applied in the state of historical buildings can be easily integrated into the proposed system. When the previous studies in the literature were examined, it was observed that the specificity value of the current study was high.