Geri Dön

Evolutionary design assistants for architecture

Mimarlık için evrimsel tasarım asistanları

PDF İndir

  1. Tez No: 397909
  2. Yazar: N. ONUR SÖNMEZ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ARZU ERDEM, PROF. DR. İKBAL SEVİL SARIYILDIZ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Mimarlık, Architecture
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2015
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mimarlık Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mimari Tasarım Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 390

Özet

Tasarım ofisleri için daha yüksek rekabet kapasitesi ve tasarımcılar için ise daha kolay ve keyifli iş akışlarının geliştirilmesi yolunda ikili bir araştırma gündemini takip ederken, Yapay Tasarım Zekâsı araştırmacıları hem teknik, hem entelektüel, hem de politik meydan okumalar karşısında kalırlar. Her ne kadar insan - makine işbirliği Bilgisayar Destekli Tasarım (CAD) araç ve süreçleri üzerinden hatırı sayılır bir yaygınlık kazanmışsa da, mevcut olanın daha ötesinde bir işbirliği ve daha iyi tasarım desteği ancak insanların dünya kavrayışlarına karşı daha hassas ve kavrayışlı olabilen bir tür Yapay Zekânın geliştirilmeye başlanmasıyla mümkün olabilecektir. Hesaplamalı Tasarım (Computational Design) araştırmalarının bir parçası olarak düşünülebilecek bu araştırma alanı Yapay / Otonom / Otomatik Tasarım olarak adlandırılabilir. Tasarım için kullanılabilen Yapay Zekâ düzeyi hâlihazırda sınırlı olduğu için, güncel Yapay Tasarım çalışmaları için makul bir hedef, çeşitli tasarım görevleri için taslak tasarımlar üretmek olabilir. Dolayısıyla, bu tez çalışmasının genel ölçekteki hedefi, tasarım süreçlerindeki alt görevler için taslak tasarımlar üretebilecek yapay tasarım asistanlarına yönelik yaklaşımlar, yöntemler ve araçlar geliştirmek olmuştur. Bu amaçla keşfedilmeye çalışılan teknoloji Evrimsel Hesaplamalar, hedef alınan tasarım disiplini ise mimarlık olarak belirlenmiştir. Çalışmanın birbiriyle bağlantılı iki araştırma sorusunun ilki, bir yapay mimari tasarım asistanının nasıl geliştirileceğinin soruşturulmasını, ikincisi ise bu tür asistanların üretiminde Evrimsel Hesaplamaların nasıl kullanılabileceğinin araştırılmasını konu almıştır. Çalışma, böylesi bir asistan için yaklaşım, yöntem ve hesaplamalı araçlar geliştirirken, aynı zamanda geniş bir kuramsal inceleme gerçekleştirmeyi de hedeflemiştir. Bu kuramsal inceleme, konuyla ilgili temel problemler, güçlükler ve gerekliliklerin daha genel bir düzeyde anlaşılmasını sağlamaya yöneliktir. Araştırma üç paralel araştırma hattının iç içe geçtiği çeşitli düzeylere yayılmıştır. Bu üç araştırma hattının birincisi, hem mevcut kuramsal yazına dönük hem de çalışmanın öneri ve uygulamalarına dönük kuramsal inceleme, tartışma ve kurgusal öneriler üzerinden takip edilmiştir. İkinci araştırma hattı hem betimleyici, hem yöntem öneren modeller, haritalamalar, özet görselleştirmeler, görev yapıları, görev ayrıştırma şemaları ve bütünleştirici çerçeveler üretmeye yönelmiştir. Üçüncü araştırma hattı ise tüm bu önerilerin deneysel uygulamalarını kapsar. Genel bir kuramsal düzeyden tekil uygulamalar düzeyine kadar yayılan bu üç hat araştırma süreci boyunca eşzamanlı olarak, bir arada işlenmiş ve geliştirilmiştir. Bu üç yönlü ilerleyiş her önerinin hem kavramsal açıdan hem de pratikte değerlendirilmesini, dolayısıyla araştırma sorularına yönelik kavrayışın aşamalı olarak gelişmesini sağlamış, aynı zamanda da süreç boyunca somut çıktılar ortaya koymuştur. Başka deyişle, kuramsal ve yorumsal incelemelerin yanısıra, çalışma, ele aldığı konuyu bir seri, uygulamaya dönük veya kurgusal öneri yoluyla da araştırmıştır. Bu öneriler tez çalışmasının hem araştırma araçları, hem de çıktılarıdır. Çalışmanın ilk ana çıktısı“tasarım_vekili”(design_proxy, d_p) adı verilen ve tasarım taslakları üreten asistanlar geliştirmeye yönelen bütüncül bir yaklaşımdır. Yaklaşım hem kuramsal incelemelerin hem de deneysel uygulamaların bir sonucu olarak ortaya çıkmıştır. tasarım_vekili yaklaşımı, (1) esnek ve gevşetilmiş görev tarif ve temsillerinin (katı formelleştirmeler yerine), (2) alışılageldik tasarım araç ve ortamlarının kullanıldığı sezgisel ve doğrudan arayüzlerin, (3) çözüm önerilerinin verili örneklere benzerlikleri üzerinden otomatik değerlendirilmesinin ve (4) ürün geliştirmek için dinamik bir evrimsel yaklaşımın bütünleşik olarak kullanılmasını önerir. Yaklaşımın işlerliği tezde yer alan iki uygulama üzerinden araştırılmış ve gösterilmiştir. tasarım_vekili yaklaşımı Yapay Tasarım araştırmacılarının yorum ve kullanımlarına sunulmuştur. Tezin ikinci ana çıktısı,“İçiçe Evrimsel Algoritma”(Interleaved Evolutionary Algorithm, Interleaved EA, IEA) adı verilen yeni bir evrimsel algoritma türüdür. Bu algoritma tasarım_vekili yaklaşımına dayanan tasarım asistanlarının üretken mekanizması olarak kullanılmak üzere geliştirilmiştir. İçiçe Evrimsel Algoritmanın işleyişinde sürecin alt hedeflerinden biri zindelik gelişmesi duraklayana kadar tüm süreci yönlendirir. Burada yönlendirmekten kastedilen, evrimsel kararlarda genel olarak sürece ait değil de lider hedefe has zindelik değerlendirmelerinin ve varyasyon ayar ve operatörlerinin tüm süreci yönlendirmekte kullanılabilmesidir. Lider hedef kurgusuna sahip olmayan evrimsel algoritmalarda ise sürece ait ayarlar ve değerlendirmeler ortak olarak kullanılmaktadır. Bu haliyle IEA genel bir süreçteki her bir farklı alt hedef için ayrı ayarlar ve operatörler kullanılmasını mümkün kılmaktadır ve dinamik ve uyarlanabilir bir çoklu-hedefli evrimsel algoritma olarak işlev görürken aynı zamanda tekil hedefli evrim süreçlerine ait bazı yöntemlerin kullanılabilmesini de mümkün kılmaktadır. Bu özellikleri IEA'nın modüler bir yapıya sahip olmasını sağlar ve uygulama alanına has bilginin her bir alt görev (hedef) temelinde sürece katılmasını sağlama potansiyelini açığa çıkarır. IEA Evrimsel Hesaplamalar araştırmacıları ve Evrimsel Hesaplamalardan yararlanan uygulamacılar tarafından kullanılabilir. Tezin üçüncü ana çıktısı,“Mimari Kök Hücreler Çerçevesi”(Architectural Stem Cells Framework), mimari tasarım asistanlarına yönelik kavramsal bir çerçevedir. Bu çerçeve bir seri tasarım asistanının daha üst bir mimari tasarım görevi için bir arada işleyebilmesi yolunda çoklu-katmanlı ve dinamik bir yöntem önerir. Çerçevenin ilk bileşeni, katman-tabanlı bir paralel görev-ayrıştırma yaklaşımıdır –ki daha karmaşık bir problemin içindeki alt-görevlerin dinamik bir paralelizasyonunu hedefler. Çerçevenin ikinci bileşeni bina taslakları geliştirmeye yönelik mekanizmalara dair bir kavramlaştırmadır. Bu kavramlaştırmaya“Mimari Kök Hücreler”adı verilmiştir. Bir Mimari Kök Hücre semantik olarak işaretlenmiş bir geometrik yapı olarak anlaşılabilir. Bu yapı soyut bir binanın, kısmen tanımlanmış bir problem bağlamında, detaysız bir durumdan tümüyle gelişmiş bir bina taslağına doğru nasıl gelişebileceğine yönelik olasılık ve sınırlamaların bilgisini barındırır. Mimari Kök Hücre kurgusu çözüm-tabanlı bir üretim sürecinde birbirinden ayrıştırılacak olan alt görev katmanlarının nasıl yeniden bütünleştirileceğine yönelik bir yanıt olarak gerekli görülmüştür. Dolayısıyla, çerçevenin ilk bileşeni dinamik görev-ayrıştırma, ikinci bileşeni ise esnek bir yeniden-bütünleştirme yapısını konu edinmiş, çerçeve bu iki bileşenin nasıl bir arada işleyeceğine yönelik kurgusal bir öneri sunmayı hedeflemiştir. Bu haliyle, Mimari Kök Hücreler Çerçevesi tezin ortaya attığı pek çok fikir ve öneriyi pratiğe yönelik geniş bir araştırma gündemi içinde bir araya getirmeyi hedeflemiştir ve mimarlık alanındaki Yapay Tasarım araştırmacılarına sunulmuştur. Tezin sonuncu çıktısı,“tasarım_vekili.plan_şeması”(design_proxy.layout, d_p.layout) adı verilen mimari plan şeması tasarım asistanıdır. Bu asistan, tasarım_vekili yaklaşımına dayanmaktadır ve önerilerini geliştirmek için İçiçe Evrimsel Algoritma'yı kullanır. tasarım_vekili yaklaşımının bir sonucu ve uygulaması olarak, sistem, gevşetilmiş bir problem tarifi (taslak plan şemaları üretmek) ve plan birimlerinin üst üste çakışmasına ve plan sınırlarından taşmasına izin veren esnek bir plan şeması temsili kullanmaktadır. Kullanıcı etkileşimi alışılageldik grafik tasarım araçları ve çıktıları üzerinden sağlanmakta, otomatik işlevsel değerlendirmelerde ise mevcut planlar ile öneri planlar arasındaki karşılaştırmalardan elde edilen zindelik değerleri kullanılmaktadır. Belirli bir alt-hedef açısından hedef alınan bir binaya daha çok benzeyen önerinin zindeliği daha yüksektir. Bu temel özellikler bütünleşik bir yolda işleyerek sistemi pratikte kullanılabilir ve keyifli bir tasarım asistanı haline getirmiştir. Bu iddialar tezde iki öğrenci atölyesi üzerinden desteklenmektedir. tasarım_vekili.plan_şeması asistanı çok yönlü, süreçteki hata ve eksiklikleri tolere edebilen son derece esnek bir plan taslağı asistanıdır ve mimarlar ve mimarlık öğrencileri tarafından tasarım süreçlerinin özellikle erken aşamalarında kullanılabilir.

Özet (Çeviri)

In its parallel pursuit of an increased competitivity for design offices and more pleasurable and easier workflows for designers, artificial design intelligence is a technical, intellectual, and political challenge. While human-machine cooperation has become commonplace through Computer Aided Design (CAD) tools, a more improved collaboration and better support appear possible only through an endeavor into a kind of artificial design intelligence, which is more sensitive to the human perception of affairs. Considered as part of the broader Computational Design studies, the research program of this quest can be called Artificial / Autonomous / Automated Design (AD). The current available level of Artificial Intelligence (AI) for design is limited and a viable aim for current AD would be to develop design assistants that are capable of producing drafts for various design tasks. Thus, the overall aim of this thesis is the development of approaches, techniques, and tools towards artificial design assistants that offer a capability for generating drafts for sub-tasks within design processes. The main technology explored for this aim is Evolutionary Computation (EC), and the target design domain is architecture. The two connected research questions of the study concern, first, the investigation of the ways to develop an architectural design assistant, and secondly, the utilization of EC for the development of such assistants. While developing approaches, techniques, and computational tools for such an assistant, the study also carries out a broad theoretical investigation into the main problems, challenges, and requirements towards such assistants on a rather overall level. Therefore, the research is shaped as a parallel investigation of three main threads interwoven along several levels, moving from a more general level to specific applications. The three research threads comprise, first, theoretical discussions and speculations with regard to both existing literature and the proposals and applications of the thesis; secondly, proposals for descriptive and prescriptive models, mappings, summary illustrations, task structures, decomposition schemes, and integratory frameworks; and finally, experimental applications of these proposals. This tripartite progression allows an evaluation of each proposal both conceptually and practically; thereby, enabling a progressive improvement of the understanding regarding the research question, while producing concrete outputs on the way. Besides theoretical and interpretative examinations, the thesis investigates its subject through a set of practical and speculative proposals, which function as both research instruments and the outputs of the study. The first main output of the study is the“design_proxy”approach (d_p), which is an integrated approach for draft making design assistants. It is an outcome of both theoretical examinations and experimental applications, and proposes an integration of, (1) flexible and relaxed task definitions and representations (instead of strict formalisms), (2) intuitive interfaces that make use of usual design media, (3) evaluation of solution proposals through their similarity to given examples, and (4) a dynamic evolutionary approach for solution generation. The design_proxy approach may be useful for AD researchers that aim at developing practical design assistants, as has been examined and demonstrated with the two applications, i.e., design_proxy.graphics and design_proxy.layout. The second main output, the“Interleaved Evolutionary Algorithm”(IEA, or Interleaved EA) is a novel evolutionary algorithm proposed and used as the underlying generative mechanism of design_proxy-based design assistants. The Interleaved EA is a dynamic, adaptive, and multi-objective EA, in which one of the objectives leads the evolution until its fitness progression stagnates; in the sense that the settings and fitness values of this objective is used for most evolutionary decisions. In this way, the Interleaved EA enables the use of different settings and operators for each of the objectives within an overall task, which would be the same for all objectives in a regular multi-objective EA. This property gives the algorithm a modular structure, which offers an improvable method for the utilization of domain-specific knowledge for each sub-task, i.e., objective. The Interleaved EA can be used by Evolutionary Computation (EC) researchers and by practitioners who employ EC for their tasks. As a third main output, the“Architectural Stem Cells Framework”is a conceptual framework for architectural design assistants. It proposes a dynamic and multi-layered method for combining a set of design assistants for larger tasks in architectural design. The first component of the framework is a layer-based, parallel task decomposition approach, which aims at obtaining a dynamic parallelization of sub-tasks within a more complicated problem. The second component of the framework is a conception for the development mechanisms for building drafts, i.e., Architectural Stem Cells (ASC). An ASC can be conceived as a semantically marked geometric structure, which contains the information that specifies the possibilities and constraints for how an abstract building may develop from an undetailed stage to a fully developed building draft. ASCs are required for re-integrating the separated task layers of an architectural problem through solution-based development. The ASC Framework brings together many of the ideas of this thesis for a practical research agenda and it is presented to the AD researchers in architecture. Finally, the“design_proxy.layout”(d_p.layout) is an architectural layout design assistant based on the design_proxy approach and the IEA. The system uses a relaxed problem definition (producing draft layouts) and a flexible layout representation that permits the overlapping of design units and boundaries. User interaction with the system is carried out through intuitive 2D graphics and the functional evaluations are performed by measuring the similarity of a proposal to existing layouts. Functioning in an integrated manner, these properties make the system a practicable and enjoying design assistant, which was demonstrated through two workshop cases. The d_p.layout is a versatile and robust layout design assistant that can be used by architects in their design processes.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    46419

    Mimarlıkta anlam analizine ilişkin bir çalışma

    A Study for meaning analysis in architecture

    SONGÜL ÜNLÜ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1995

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. FERHAN YÜREKLİ

  2. Tez No

    66398

    İmalat sistemlerinin tasarlanması ve öncelik kurallarının belirlenmesinde yapay sinir ağlarının kullanılması

    Başlık çevirisi yok

    TARIK ÇAKAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYHAN TORAMAN

  3. Tez No

    302450

    Taşıt elemanlarının optimum tasarımı için bilgisayar destekli analiz ve simülasyon tabanlı bütünleşik bir algoritma geliştirilmesi

    Developing an integrated computer aided analyses and simulation based algorithm for optimum design of vehicle components

    İDRİS KAREN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Makine MühendisliğiUludağ Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FERRUH ÖZTÜRK

  4. Tez No

    196444

    Farksal gelişim algoritmasının incelenmesi ve işaret kestiriminde kullanılması

    Analysing differential evolution algorithm and its use for signal prediction

    CANAN ASLIHAN KOYUNCU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2006

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErciyes Üniversitesi

    Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Y.DOÇ.DR. NURHAN KARABOĞA

  5. Tez No

    796055

    Ortaokul Türkiye Cumhuriyeti İnkılap Tarihi ve Atatürkçülük dersi eğitimi üzerine yapılmış lisansüstü tezlerin incelenmesi

    Examination of graduate thesis made on secondary school Turkish Republic Revolutionary History and Ataturkish course education

    MERVE KAVAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Eğitim ve ÖğretimNecmettin Erbakan Üniversitesi

    Türkçe ve Sosyal Bilimler Eğitimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CEMAL GÜVEN

Geri Dön