Procedural Historic Building Information Modelling (HBIM) For Recording and Documenting European Classical Architecture

Procedural Historic Building Information Modelling (HBIM) is a new approach for modelling historic buildings which develops full building information models from remotely sensed data. HBIM consists of a novel library of reusable parametric objects, based on historic architectural data and a system for mapping these library objects to survey data. Using concepts from procedural modelling, a new set of rules and algorithms have been developed to automatically combine HBIM library objects and generate different building arrangements by altering parameters. This is a semi-automatic process where the required building structure and objects are first automatically generated and then refined to match survey data. The encoding of architectural rules and proportions into procedural modelling rules helps to reduce the amount of further manual editing that is required. The ability to transfer survey data such as building footprints or cut-sections directly into a procedural modelling rule also greatly reduces the amount of further editing required. These capabilities of procedural modelling enable a more automated and efficient overall workflow for reconstructing BIM geometry from point cloud data. This document outlines the research carried out to evaluate the suitability of a procedural modelling approach for improving the process of reconstructing building geometry from point clouds. To test this hypothesis, three procedural modelling prototypes were designed and implemented for BIM software. Quantitative accuracy testing and qualitative end-user scenario testing methods were used to evaluate the research hypothesis. The results obtained indicate that procedural modelling has potential for achieving more accurate, automated and easier generation of BIM geometry from point clouds

3d-gis Based Procedural Modeling In Contemporary Urban Planning And Design Practice

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Tüm dünyada şehirler çok hızlı bir şekilde büyümeye devam ediyor. Kentsel planlama ve kentsel tasarım disiplinleri de bu değişime ayak uydurabilmek amacıyla yeni kuramsal kavramlar geliştirmekte ve kendilerini bu değişime adapte etme gayreti göstermektedir. Kentlerin durdurulamayan nüfus artışı beraberinde ciddi çevresel, sosyal, ekonomik ve mekansal sorunlar ortaya çıkarmaktadır. Bu sorunların çözümü için gerekli muayene ve analiz süreçleri büyük miktarlarda veri gerektirmektedir. Bu büyük verinin ve büyük sorunların yönetiminde alışılmış bakış açıları yetersiz kalmaktadır. Dünyada ve Türkiye'de yaygın planlama pratikleriyle üretilen plan çizimleri ve raporlarının kentsel tasarıma konu olan mekanın yaşanabilirliğinin ve mekansal kalitesinin sağlanmasında yetersiz kalabildiği iddiası bir çok araştırmada paylaşılmaktadır. Böylece, kentsel alanın yönetim ve planlamasında alışılmış olanların dışında, yeni parametreler eklenmektedir. Türkiye’deki planlama mevzuatının çokça değişen ve istikrarsız yapısı, mekansal planlamada kullanılan araç ve kuralların sıklıkla değişime uğramasına neden olmaktadır. Yasa, yönetmelik ve plan notlarının getirmiş olduğu düzenleyici araçlardaki değişimlerin, kentlerde yaratacakları mekansal sonuçları incelemek gün geçtikçe daha çok zorlaşmaktadır. Söz konusu araçların değişimiyle planlamanın kentsel çevreyi regüle ediş biçimi de değişmektedir. Bunun yanında, genel anlamda Türkiye’de sonuç ürün olarak üretilen planların, detaylı sosyo-ekonomik ve çevresel analizlere dayalı, mekansal vizyon ve tasarım stratejilerini temel alan bir yapıda olup olmadıkları tartışmaya açıktır. Bu günün pratiklerinde, plancıların ve kentsel tasarımcıların, kente dair mekansal kararlarında tasarımsal kaliteden ziyade mekanik inşaat alanı hesaplarına daha fazla önem atfediği söylenebilir. Teknik olarak, alışılmış plan üretim araçlarının kent plancısını yaratıcı düşünce üretimi noktasında engelledikleri ve bu araçların, bilgi, iletişim ve temsiliyetle ilgili sorunlara sebep oldukları araştırmalarla gösterilmiştir. Diğer yandan, teknolojinin gelişmesiyle kullanımı artan bilgi sistemlerine dayalı yeni teknikler, mekansal planlama pratikleri için dikkate değer araçlar yaratmaktadır. Planlama ve kentsel tasarım pratiklerinde, müdahale edilmekte olan kentsel çevreyi görselleştirmek, tasarımla ilgili fikir alışverişi yapmak ve farklı tasarım senaryolarını deneylemek amacıyla yeni tasarım metodlarının araştırılması bir zorunluk haline gelmektedir. Bu metodlar genellikle kentsel çevreyi tüm boyutlarıyla ele almayı ve her tür bilgiyi yöneterek sentezlemeyi sağlayan kapsamlı araçları içermektedir. Bu çalışmanın merkezinde, kentsel planlama süreçlerinin üç boyutlu modelleri içermesi gerektiği hipotezi bulunmaktadır. Dünyada özellikle üç boyutlu görselleştirme araçları, mekansal planlamada kaliteli tasarımlar üretebilmek amacıyla kullanılmaktadır. Yaygın pratikte üç boyutlu kent modelleri, iki boyutlu çizimlerin genellikle görselleştirme amacıyla belli programlara aktarılmak suretiyle oluşturulmakta ve kent modelleri genellikle halihazır durumu betimlemek amacıyla üretilmektedir. Bunun yanında belirli bir alandaki, tasarımı bitirilmiş bir projenin tanıtımı gibi amaçlarla görselleştirilmesi de yaygın kullanımlardan biridir. “Fakat üç boyutlu modelleme alanındaki yeni teknikler tasarım aşamasını da destekleyecek çalışma yöntemleri sunmaktadır. Bu araçlar kullanılarak mekansal planlama süreçlerinde tasarım boyutuna da kayda değer katkılar yapılabilir. Bu araçlar içinden yordamsal modelleme olarak Türkçe’ye çevrilebilecek olan “procedural modeling”, bahsedilen araçlardan biri olarak öne çıkmaktadır. Yordamsal modelleme araçları vasıtasıyla, küçük veri girdilerini yordamsal kodlar ile tanımlanan işlemler yardımıyla oldukça büyük sonuç ürünlerine dönüştürebilmek mümkündür. Bu modelleme yönteminde, ilk adımda modelleme programının dijital girdileri hangi şartlarla, hangi sıra ve ne şekilde işleyeceğinin tariflendiği “kural kodları” üretilerek, bir parselden anlamlı bir yapılaşma modeli oluşturacak temel komut zinciri tanımlanmaktadır. Bu kodlar, modelleme yapılırken değiştirilebilecek olan parametreleri içermektedir. Söz edilen parametreler parsel bazında CBS tabanlı bilgilere bağlı olarak veya kullanıcı tarafından değiştirilerek, arzu edilen model oluşturulabilmektedir. Bu çalışma özelinde örnek vermek gerekirse, planlama mevzuatında tanımlanan yazılı yapılaşma koşullarının yordamsal parametreler olarak tanımlanması amacıyla yazılacak bir kodun, kentsel tasarım kararları olarak üçüncü boyutta karşılığını hızlı ve dinamik bir arayüzde görselleştirebilmenin mümkün olacağı savıyla yola çıkılmıştır. Tezde, öncelikle 3 boyutlu kent modellerinin, bir meri planın tanımladığı kentsel çevreyi tasavvur edip edemeyeceği sorgulanarak, bir örnek alan çalışması yapılmıştır. Bir diğer önemli soru da Türkiye’de hızla değişen planlama mevzuatının, yeni teknolojilerden biri olan 3 boyutlu CBS tabanlı yordamsal modelleme teknikleriyle entegre olup olamayacağıdır. Bu sorular ışığında, Türkiye’de mevcut kentsel planlama ve tasarım pratiğinde tanımlanmış olan kodlar ve araçlar, yordamsal modelleme parametrelerine dönüştürülerek üç boyutlu modelleri oluşturacak işlem adımları ve kuralları oluşturulmuştur. Bu işlemlerde çekme mesafeleri, taban alanı, kat sayısı, yapı yüksekliği, yapı yaklaşma mesafeleri ve emsal gibi bir çok parametreyi içermektedir. Planlama sisteminde tanımlı kodların yapılaşmayı tam anlamıyla tanımlayamadığı düşünülen noktalarda yeni parametreler eklenerek, yapılaşma kodları oluşturulmuştur. Her yapı parseli özelinde, bu parametrelerdeki her değişim, program tarafından sonuç üründe güncellenerek, kullanıcıya bu değişimin görsel sonucunu gözlemleme imkanı verebilmektedir. Koda göre; parsel içinde, yapı oturum alanı dışındaki alanlar, seçime göre yeşil alan, sert zemin veya otopark alanı gibi düzenlenebilirken, bir parselde bir veya birden fazla yapı yapılabilmektedir. Yapıların oturum düzeni, modelleme esnasında önceden tanımlanmış oturum tipolojileri seçilerek değiştirilebilmektedir. Cephe ve çatı detayları, pencere ve duvar genişlikleri gibi temel özellikler başta olmak üzere, bir çok parametreyle düzenlenebilmektedir. Yapı parselleri dışında bu sisteme yol orta çizgileri ve topoğrafya verisi eklenmiştir. Yol ve parseller, topoğrafya üzerine oturtularak alanın gerçek dokusu görselleştirilmiştir. Yollar; yol genişliği, şerit sayısı, yaya ve bisiklet yolları, kent mobilyaları gibi bir çok parametrelerle kontrol edilebilmektedir. Oluşturulan bu kodlar, genel planlama araçlarını içerdiğinden, bir alana veya bir tasarım tarzına özgü değil, her alanda kullanılabilecek ve farklı tasarımlara izin verebilecek bir sistem sunmaktadır. Bu ön çalışmanın ardından oluşturulan kodlar, İstanbul’un Beylikdüzü ilçesinde seçilen bir çalışma alanında, yürürlükteki uygulama planına tanımlanmıştır. Planda tariflenmiş olan yapı adaları, fonksiyonlar, arazi kullanımı ve yapılaşma kararları, bu dinamik modelleme sisteminde, alanın tamamı için tanımlanan farklı tasarım kriterleriyle yorumlanarak, iki farklı kent modeli oluşturmak amacıyla kullanılmıştır. Bu alternatif tasarımlardaki amaç; plan yönetmelikte belirlenmiş olan yapılaşma kararlarına uygun olması, uyumlu bir tasarım içeriğine sahip olması ve monoton bir model yerine gerçekçi bir kent modeli oluşturabilmektir. Aynı çalışma alanında, aynı plan kararları kullanılarak üretilen iki alternatif tasarım uygulandıktan sonra, modellerin sayısal değerlendirmesi yapılmıştır. İki tasarımda da kullanılan mevcut parsel dokusu ve plan durumları, coğrafi bilgi sistemi kaynaklı olduğundan dolayı, içinde birtakım analitik bilgiler içermektedir. Bununla birlikte, modelleme esnasında yapılan tüm işlemler sonucunda her bir parselin içerdiği yapılaşmaya ait nicel veriler gözlenebilmektedir. Bu değerlendirme; nüfus, yoğunluk, bağımsız birim sayıları gibi demografik verileri; farklı arazi kullanımlarının toplam inşaat alanları, tahmini enerji tüketimleri ile maliyet ve değer hesaplamalarını içermektedir. Bu sonuç raporlamaları verilen her yapılaşma kararının ne gibi sonuçlar oluşturacağı gözlemlenebilmektedir. Sonuç olarak, oluşturulan üç boyutlu coğrafi bilgi sistemleri tabanlı yordamsal modelleme sisteminin, kentleşme ve planlama politikalarında hızlı çözüm üreten bir yapı ihtiyacına ne denli yanıt verebildiği ortaya konmaktadır. Bu çalışmada üretilen modelleme sistemiyle bir plan, plan notları, yasa ve yönetmelikler baz alınarak oluşturulan kentsel tasarım alternatifleri göstermektedir ki; mevzuatın içerdiği yazılı ifadeler yapılaşma şartlarında esneklik sağlamak yerine belirsizlik yaratmaktadır. Bu durumu oluşturan koşulların tanımlanması ve daha analitik koşullara bağlı bir yapıya kavuşmasında bu çalışmaya benzer yordamsal modelleme uygulamaları yardımcı olabilir. Diğer yandan, imar planlarının ve planlama mevzuatında yer alan yasal tanımlamaların tasarım üzerinde fazlasıyla kısıtlayıcı bir rolü olduğu savı da eleştirilerek, yordamsal modellemenin bu arayüzde oynayabileceği roller araştırılmıştır. Aynı plan kurallarına dayanılarak parsel bazında birbirinden çok farklı yerleşim ve biçim alternatiflerinin üretilebilecek olduğu, çalışmada deneyimlenmiştir. İmar kuralları genel anlamıyla çok fazla parametre ve kriter içeriyor gibi gözükse dahi, aslında bu sınırlar içerisinde, tasarımcıya geniş bir alan bırakmaktadır. Bunun yanında, bu sistemin sürdürülebilir planlama pratikleri çerçevesinde nasıl kullanılabileceğine dair görüş ve öneriler aktarılmaktadır. Kentlerin hızla geliştiği günümüzde, kente dair kararların gelecekteki etkilerini görmek ve daha duyarlı imar kararları üretmek kritik öneme sahiptir. Yordamsal modellemenin raporlama özelliği sayesinde mekansal senaryoların çevresel, ekonomik ve sosyal etkileri daha etkin bir şekilde analiz edilerek duyarlı bir planlama pratiği tanımlanabilir. Şehir plancıları çizdikleri planın tüm boyutlarıyla nasıl bir kentsel çevre yaratacağını tahayyül edebildikleri varsayımıyla hareket etmektedir. Bu varsayımın bir yanılgı olduğu, kentlerimiz için yapılan planlardan herhangi birkaçı incelendiğinde bile kendini göstermektedir. Plancı ve tasarımcılar mekansal kararlarının yaratacağı çevreyi zihinlerinde tahayyül etmeye çalışmak yerine, yeni teknoloji ve yöntemler kullanmalıdırlar.The cities keep developing rapidly all over the world. Urban planning and urban design disciplines are striving to enhance new theoretical concepts in order to keep up with these changes. Various researches commonly claim that the outcomes that are generated with the traditional planning techniques in the world and Turkey fall short in providing the livability of urban space and the design quality. The dynamical structure of the planning regulations in Turkey causes frequent changes in the tools and rules applied in spatial planning. The changes in the regulatory tools caused by the law, regulations and plan notes make it harder to investigate them in the spatial changes that will take place in the cities. On the other hand, the new information-based techniques are increasingly used as a result of the developments in technology create remarkable tools for spatial planning practices. Especially three dimensional visualization tools are used in order to produce high-class designs in spatial planning all over the world. Mostly, the three dimensional urban models are produced by transferring two dimensional drawings into particular software for some reason and they are generally produced to describe the current situation. However, novel techniques in 3D modeling field are offering workflows for aiding the design phase. By using such tools, valuable contributions can be achieved in design aspect of planning processes. Procedural modeling steps forward among these tools. With procedural modeling tools, quite remarkable outcome can be produced by means of the operations that identify the small data entries with procedural codes. In this modeling methodology, it is possible to dynamically visualize three dimensional representations of design decisions by defining regulative codes into procedural codes. In this thesis, the codes and tools identified in the current urban planning and designing practices in Turkey are converted into procedural modelling parameters and thus the operation rules that will form the three dimensional models have been set. Then, the current implementation plan of the selected field is transformed into a three dimensional interactive model. The city blocks, functions, land use decisions and housing rights, which are described in the plan, are interpreted with different designing alternatives within this parametrical system. After these alternative designs are modeled in compliance with the criteria specified in the plan and regulations, the quantitative evaluation of these models are conducted. This evaluation includes reports of estimations such as demographic data, calculations of areas, costs and value calculations and consumption demands. As a consequence, the response capacity of produced three-dimensional GIS based procedural modeling system on urbanization and planning policies is investigated. Additionally, opinions on the utilization of this system within the framework of sustainable planning practices are expressed. Meanwhile, by criticizing the arguement that legal codes exceedingly restrict the design process, it is showed that various design alternatives can be created within this interface by utilizing procedural modeling.Yüksek LisansM.Sc

Visualization, Adaptation, and Transformation of Procedural Grammars

Procedural shape grammars are powerful tools for the automatic generation of highly detailed 3D content from a set of descriptive rules. It is easy to encode variations in stochastic and parametric grammars, and an uncountable number of models can be generated quickly. While shape grammars offer these advantages over manual 3D modeling, they also suffer from certain drawbacks. We present three novel methods that address some of the limitations of shape grammars. First, it is often difficult to grasp the diversity of models defined by a given grammar. We propose a pipeline to automatically generate, cluster, and select a set of representative preview images for a grammar. The system is based on a new view attribute descriptor that measures how suitable an image is in representing a model and that enables the comparison of different models derived from the same grammar. Second, the default distribution of models in a stochastic grammar is often undesirable. We introduce a framework that allows users to design a new probability distribution for a grammar without editing the rules. Gaussian process regression interpolates user preferences from a set of scored models over an entire shape space. A symbol split operation enables the adaptation of the grammar to generate models according to the learned distribution. Third, it is hard to combine elements of two grammars to emerge new designs. We present design transformations and grammar co-derivation to create new designs from existing ones. Algorithms for fine-grained rule merging can generate a large space of design variations and can be used to create animated transformation sequences between different procedural designs. Our contributions to visualize, adapt, and transform grammars makes the procedural modeling methodology more accessible to non-programmers

Randomly Generated 3D Environments for Serious Games

Abstract — This paper describes a variety of methods that can be used to create realistic, random 3D environments for serious games requiring real-time performance. These include the generation of terrain, vegetation and building structures. An interactive flight simulator has been created as proof of concept. An initial evaluation with two small samples of users (remote and hallway) revealed some usability issues but also showed that overall the flight simulator is enjoyable and appears realistic and believable. Keywords – serious games; 3D terrain modeling; computer graphics; flight simulator. I

The Use of Games and Crowdsourcing for the Fabrication-aware Design of Residential Buildings

State-of-the-art participatory design acknowledges the true, ill-defined nature of design problems, taking into account stakeholders' values and preferences. However, it overburdens the architect, who has to synthesize far more constraints into a one-of-a-kind design. Generative Design promises to equip architects with great power to standardize and systemize the design process. However, the common trap of generative design is trying to treat architecture simply as a tame problem. In this work, I investigate the use of games and crowdsourcing in architecture through two sets of explorative questions. First, if everyone can participate in the network-enabled creation of the built environment, what role will they play? And what tools will they need to enable them? And second, if anyone can use digital fabrication to build any building, how will we design it? What design paradigms will govern this process? I present a map of design paradigms that lie at the intersections of Participatory Design, Generative Design, Game Design, and Crowd Wisdom. In four case studies, I explore techniques to employ the practices from the four fields in the service of architecture. Generative Design can lower the difficulty of the challenge to design by automating a large portion of the work. A newly formulated, unified taxonomy of generative design across the disciplines of architecture, computer science, and computer games builds the base for the use of algorithms in the case studies. The work introduces Playable Voxel-Shape Grammars, a new type of generative technique. It enables Game Design to guide participants through a series of challenges, effectively increasing their skills by helping them understand the underlying principles of the design task at hand. The use of crowdsourcing in architecture can mean thousands of architects creating content for a generative design system, to expand and open up its design space. Crowdsourcing can also be about millions of people online creating designs that an architect or a homeowner can refer to increase their understanding of the complex issues at hand in a given design project and for better decision making. At the same time, game design in architecture helps find the balance between algorithmically exploring pre-defined design alternatives and open-ended, free creativity. The research reveals a layered structure of entry points for crowd-contributed content as well as the granular nature of authorship among four different roles: non-expert stakeholders, architects, the crowd, and the tool-makers

Example-Based Urban Modeling

The manual modeling of virtual cities or suburban regions is an extremely time-consuming task, which expects expert knowledge of different fields. Existing modeling tool-sets have a steep learning curve and may need special education skills to work with them productively. Existing automatic methods rely on rule sets and grammars to generate urban structures; however, their expressiveness is limited by the rule-sets. Expert skills are necessary to typeset rule sets successfully and, in many cases, new rule-sets need to be defined for every new building style or street network style. To enable non-expert users, the possibility to construct urban structures for individual experiments, this work proposes a portfolio of novel example-based synthesis algorithms and applications for the controlled generation of virtual urban environments. The notion example-based denotes here that new virtual urban environments are created by computer programs that re-use existing digitized real-world data serving as templates. The data, i.e., street networks, topography, layouts of building footprints, or even 3D building models, necessary to realize the envisioned task is already publicly available via online services. To enable the reuse of existing urban datasets, novel algorithms need to be developed by encapsulating expert knowledge and thus allow the controlled generation of virtual urban structures from sparse user input. The focus of this work is the automatic generation of three fundamental structures that are common in urban environments: road networks, city block, and individual buildings. In order to achieve this goal, the thesis proposes a portfolio of algorithms that are briefly summarized next. In a theoretical chapter, we propose a general optimization technique that allows formulating example-based synthesis as a general resource-constrained k-shortest path (RCKSP) problem. From an abstract problem specification and a database of exemplars carrying resource attributes, we construct an intermediate graph and employ a path-search optimization technique. This allows determining either the best or the k-best solutions. The resulting algorithm has a reduced complexity for the single constraint case when compared to other graph search-based techniques. For the generation of road networks, two different techniques are proposed. The first algorithm synthesizes a novel road network from user input, i.e., a desired arterial street skeleton, topography map, and a collection of hierarchical fragments extracted from real-world road networks. The algorithm recursively constructs a novel road network reusing these fragments. Candidate fragments are inserted into the current state of the road network, while shape differences will be compensated by warping. The second algorithm synthesizes road networks using generative adversarial networks (GANs), a recently introduced deep learning technique. A pre- and postprocessing pipeline allows using GANs for the generation of road networks. An in-depth evaluation shows that GANs faithfully learn the road structure present in the example network and that graph measures such as area, aspect ratio, and compactness, are maintained within the virtual road networks. To fill empty city blocks in road networks we propose two novel techniques. The first algorithm re-uses real-world city blocks and synthesizes building footprint layouts into empty city blocks by retrieving viable candidate blocks from a database. We evaluate the algorithm and synthesize a multitude of city block layouts reusing real-world building footprint arrangements from European and US-cities. In addition, we increase the realism of the synthesized layouts by performing example-based placement of 3D building models. This technique is evaluated by placing buildings onto challenging footprint layouts using different example building databases. The second algorithm computes a city block layout, resembling the style of a real-world city block. The original footprint layout is deformed to construct a textit{guidance map}, i.e., the original layout is transferred to a target city block using warping. This guidance map and the original footprints are used by an optimization technique that computes a novel footprint layout along the city block edges. We perform a detailed evaluation and show that using the guidance map allows transferring of the original layout, locally as well as globally, even when the source and target shapes drastically differ. To synthesize individual buildings, we use the general optimization technique described first and formulate the building generation process as a resource-constrained optimization problem. From an input database of annotated building parts, an abstract description of the building shape, and the specification of resource constraints such as length, area, or a number of architectural elements, a novel building is synthesized. We evaluate the technique by synthesizing a multitude of challenging buildings fulfilling several global and local resource constraints. Finally, we show how this technique can even be used to synthesize buildings having the shape of city blocks and might also be used to fill empty city blocks in virtual street networks. All algorithms presented in this work were developed to work with a small amount of user input. In most cases, simple sketches and the definition of constraints are enough to produce plausible results. Manual work is necessary to set up the building part databases and to download example data from mapping services available on the Internet