Rozszerzenie CityGML do modelowania starożytnej chińskiej architektury drewnianej w 3D z informacją semantyczną

Dlaczego stare drewniane świątynie potrzebują nowych narzędzi cyfrowych

W całych Chinach wciąż stoją wielowiekowe drewniane sale i świątynie, których warstwowe dachy i misternie wykonane wsporniki przetrwały trzęsienia ziemi, wojny i warunki atmosferyczne. Mimo to te arcydzieła są kruche, a ich ochrona wymaga dziś czegoś więcej niż tylko konserwacji stolarskiej. Niniejsze badanie przedstawia nowy sposób opisu takich budowli w trzech wymiarach, dzięki któremu komputery mogą rozumieć nie tylko ich wygląd, lecz także, czym jest każdy element i jak się ze sobą łączą — tworząc podstawy dla mądrzejszej konserwacji i badań.

Przekształcanie tradycyjnego rzemiosła w cyfrowe klocki budowlane

Tradycyjna chińska architektura drewniana opiera się na uporządkowanej logice: podwyższona podstawa, drewniany szkielet z kolumn i belek, ściany i drzwi oraz złożony dach. Specjalne drewniane wsporniki zwane dougong oraz połączenia wpust‑wypust pozwalają budowlom na elastyczność podczas trzęsień ziemi, jednocześnie dźwigając ciężkie dachówki. Autorzy argumentują, że aby naprawdę chronić to dziedzictwo, modele cyfrowe muszą odtwarzać tę hierarchię i słownictwo, a nie tylko zewnętrzny kształt. Istniejące modele 3D, a nawet wiele modeli informacji o budynkach ukierunkowanych na dziedzictwo, często rejestrują kształty bardzo precyzyjnie, lecz zacierają lub ignorują tradycyjne kategorie używane przez rzemieślników, co utrudnia zadawanie pytań takich jak: które elementy należą do warstwy dachowej lub jak konkretny zestaw wsporników odnosi się do pobliskich kolumn.

Dodawanie znaczenia do modeli miast 3D

Aby wypełnić tę lukę, badacze rozszerzyli CityGML — międzynarodowy standard opisu miast 3D — tworząc wyspecjalizowane rozszerzenie nazwane Chinese Timber Architecture Application Domain Extension (CTAADE). To rozszerzenie wprowadza cztery główne warstwy — fundament, konstrukcję drewnianą, pionowe obudowy i dach — oraz 17 kluczowych typów elementów, w tym podstawy, kolumny, belki, krokwi, dachówki, ściany, okna i dougong. Każdy obiekt cyfrowy może zawierać informacje takie jak okres historyczny, styl, poziom ochrony czy wymiary i jest powiązany z powierzchniami geometrycznymi w przestrzeni. Dzięki zagnieżdżeniu tych składników w przejrzystej hierarchii CTAADE pozwala komputerom „wiedzieć”, że dana belka należy do określonej sali, znajduje się w warstwie konstrukcji drewnianej i łączy się z konkretnym zestawem kolumn oraz elementami dachu.

Od plików projektowych do semantycznie bogatych modeli dziedzictwa

W oparciu o tę strukturę zespół opracował proces konwersji istniejących modeli informacji o zabytkach do zgodnych z CTAADE modeli miejskich. Zaczynając od szczegółowego modelu 3D stworzonego w komercyjnym oprogramowaniu projektowym, automatycznie wyodrębnili kształty i podstawowe atrybuty każdego obiektu. Ponieważ oryginalny model oznacza elementy bardzo ogólnie, eksperci następnie klasyfikują każdą część — na przykład rozróżniając podstawy, drzwi, belki czy poszczególne zestawy wsporników — używając tabeli mapującej zgodnej z 17 typami komponentów CTAADE. Własne skrypty ostatecznie kodują całą geometrię i znaczenie do plików CityGML, tak by wynik mógł być odczytany przez standardowe systemy informacji geograficznej i narzędzia wizualizacyjne.

Przetestowano metodę na sali głównej dużej świątyni

Aby pokazać możliwości podejścia, autorzy zastosowali CTAADE do Sali Wielkiego Miłosierdzia w świątyni Chongshan w Taiyuan, prowincja Shanxi — dużej drewnianej sali z dynastii Ming z wielowarstwowymi okapami i bogato zarysowaną stolarką. Przekształcili jej model informacji o zabytku w model miasta 3D oparty na CTAADE zawierający 4 704 semantyczne komponenty i ponad pół miliona trójkątnych powierzchni. Korzystając ze specjalistycznych przeglądarek potwierdzili zgodność pliku z zasadami CityGML oraz prawidłowość niemal wszystkich prymitywów geometrycznych. Co ważniejsze, oprogramowanie mogło wyświetlić drzewo komponentów, wyróżnić pojedyncze elementy, takie jak pojedynczy zestaw wsporników czy warstwa dachu, oraz pokazać ich atrybuty i relacje, umożliwiając rozbudowane zapytania, które byłyby niemożliwe przy zwykłej siatce.

Co to oznacza dla ochrony zabytkowych budynków

Mówiąc prościej, praca ta daje konserwatorom, planistom i badaczom wspólny, czytelny dla komputerów język do opisywania złożonych drewnianych świątyń. Zamiast traktować salę jako jednolitą powłokę, CTAADE dzieli ją na sensowne części, które można przeszukiwać, analizować i łączyć z innymi danymi, takimi jak symulacje strukturalne czy ekspozycja na warunki pogodowe. Choć obecny model koncentruje się na jednym głównym typie budynku i wciąż polega na wiedzy ekspertów przy klasyfikacji komponentów, można go rozszerzyć na inne konstrukcje i połączyć ze sztuczną inteligencją w celu przyspieszenia rozpoznawania. Ostatecznie to semantyczne podejście 3D może wspierać cyfrowe bliźniaki zabytkowych miejsc, pomagając społeczeństwu planować naprawy, oceniać ryzyka i zachować wiedzę zakorzenioną w starożytnej stolarskiej praktyce dla przyszłych pokoleń.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: starożytna chińska architektura drewniana, semantyczne modelowanie 3D, CityGML ADE, ochrona dziedzictwa kulturowego, integracja HBIM