Eine CityGML-ADE zur dreidimensionalen Modellierung antiker chinesischer Holzarchitektur mit semantischen Informationen

Warum alte hölzerne Tempel neue digitale Werkzeuge brauchen

In ganz China stehen jahrhundertealte hölzerne Hallen und Tempel noch immer, ihre geschichteten Dächer und kunstvollen Stützwerke haben Erdbeben, Kriege und Witterung überdauert. Diese Meisterwerke sind jedoch fragil, und ihre Bewahrung hängt heute von mehr als nur Handwerk ab. Diese Studie stellt eine neue Methode vor, solche Bauten dreidimensional so zu beschreiben, dass Computer nicht nur ihr Aussehen erfassen, sondern auch, was jedes Bauteil ist und wie alles zusammenpasst. Das schafft die Grundlage für intelligentere Konservierung und Forschung.

Traditionelles Handwerk als digitale Bausteine

Die traditionelle chinesische Holzbauweise folgt einer geordneten Logik: ein erhöhtes Fundament, ein Holzrahmen aus Säulen und Trägern, umschließende Wände und Türen sowie ein komplexes Dach. Spezielle Holzverbindungen wie die Dougong-Konsolen und Zapfenlochverbindungen erlauben es Gebäuden, bei Erdbeben nachzugeben und zugleich schwere Ziegeldächer zu tragen. Die Autorinnen und Autoren argumentieren, dass zur wirklichen Sicherung dieses Erbes digitale Modelle diese Hierarchie und Terminologie abbilden müssen, nicht nur die äußere Form. Bestehende 3D-Modelle und selbst viele denkmalorientierte Gebäudeinformationsmodelle erfassen zwar oft Formen sehr präzise, verwischen oder ignorieren aber die traditionellen Kategorien, die Handwerker verwenden, was es erschwert, Fragen zu beantworten wie: Welche Elemente gehören zur Dachebene, oder wie steht ein bestimmter Satz von Konsolen in Beziehung zu benachbarten Säulen?

Semantik in 3D-Stadtmodellen ergänzen

Um diese Lücke zu schließen, erweitern die Forschenden CityGML, einen internationalen Standard zur Beschreibung dreidimensionaler Städte, durch eine spezialisierte Erweiterung namens Chinese Timber Architecture Application Domain Extension (CTAADE). Diese Erweiterung führt vier Hauptebenen ein – Fundament, Holzrahmen, vertikale Ummauerung und Dach – sowie 17 zentrale Komponententypen, darunter Sockel, Säulen, Träger, Sparren, Dachziegel, Wände, Fenster und Dougong. Jedes digitale Objekt kann Informationen wie historische Periode, Stil, Schutzstufe und Abmessungen tragen und ist mit geometrischen Flächen im Raum verknüpft. Durch das Verschachteln dieser Komponenten in einer klaren Hierarchie ermöglicht CTAADE dem Computer zu »verstehen«, dass ein bestimmter Träger zu einer bestimmten Halle gehört, in der Ebene des Holzrahmens sitzt und mit einem bestimmten Satz von Säulen und Dachteilen verbunden ist.

Von Entwurfsdateien zu semantisch reichen Denkmalmodellen

Aufbauend auf diesem Rahmen entwickelte das Team eine Pipeline, um bestehende denkmalpflegerische Gebäudeinformationsmodelle in CTAADE-konforme Stadtmodelle zu überführen. Ausgehend von einem detaillierten 3D-Modell, das in kommerzieller Entwurfssoftware erstellt wurde, extrahieren sie automatisch die Formen und Grundattribute jedes Objekts. Da das ursprüngliche Modell Elemente nur sehr grob beschriftet, klassifizieren Expertinnen und Experten anschließend jedes Teil – etwa indem sie Sockel, Türen, Träger oder einzelne Konsolensätze unterscheiden – mithilfe einer Zuordnungstabelle, die an die 17 CTAADE-Komponententypen angelehnt ist. Benutzerdefinierte Skripte kodieren schließlich all diese Geometrie und Bedeutung in CityGML-Dateien, sodass das Ergebnis von gängigen geografischen Informationssystemen und Visualisierungstools gelesen werden kann.

Erprobung der Methode in einer großen Tempelhalle

Um zu zeigen, was ihr Ansatz leisten kann, wendeten die Autorinnen und Autoren CTAADE auf die Halle der Großen Barmherzigkeit im Chongshan-Tempel in Taiyuan, Provinz Shanxi, an – eine große hölzerne Halle aus der Ming-Dynastie mit geschichteten Traufen und reich ausgearbeiteter Holzverbindungstechnik. Sie transformierten ihr denkmalpflegerisches Gebäudeinformationsmodell in ein CTAADE-basiertes 3D-Stadtmodell mit 4.704 semantischen Komponenten und mehr als einer halben Million Dreiecksflächen. Mit spezialisierten Betrachtern bestätigten sie, dass die Datei den CityGML-Regeln entsprach und die geometrischen Primitive nahezu vollständig gültig waren. Wichtiger noch: Die Software konnte eine Komponentenbaumstruktur darstellen, einzelne Elemente wie einen einzelnen Konsolensatz oder eine Dachebene hervorheben und deren Attribute und Beziehungen anzeigen, sodass umfangreiche Abfragen möglich wurden, die mit einem reinen Mesh nicht denkbar waren.

Was das für den Schutz historischer Gebäude bedeutet

Alltagspraktisch liefert diese Arbeit Konservatorinnen und Konservatoren, Planerinnen und Planern sowie Forschenden eine gemeinsame, computerlesbare Sprache, um über komplexe hölzerne Tempel zu sprechen. Anstatt eine Halle als ein massives Ganzes zu behandeln, zerlegt CTAADE sie in sinnvolle Teile, die durchsucht, analysiert und mit anderen Daten wie Statiksimulationen oder Witterungseinflüssen verknüpft werden können. Während das aktuelle Modell sich auf einen Hauptgebäudetyp konzentriert und weiterhin menschliches Fachwissen zur Klassifizierung der Komponenten benötigt, lässt es sich auf andere Bauten ausweiten und mit Künstlicher Intelligenz koppeln, um die Erkennung zu beschleunigen. Letztlich könnte dieser semantische 3D-Ansatz digitale Zwillinge von Denkmalstandorten unterstützen, Gesellschaften bei der Reparaturplanung, Risikoabschätzung und beim Bewahren des in alter Zimmermannskunst verankerten Wissens für zukünftige Generationen helfen.

Zitation: Zhang, J., Hou, M., Chen, J. et al. A CityGML ADE for modeling ancient chinese timber architecture in 3D with semantic information. npj Herit. Sci. 14, 271 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02535-2

Schlüsselwörter: antike chinesische Holzarchitektur, 3D-semantische Modellierung, CityGML ADE, Erhaltung des kulturellen Erbes, HBIM-Integration