用于以语义信息三维建模古代中国木构建筑的 CityGML ADE

为什么古老的木制寺庙需要新的数字工具

在中国各地，历经数百年的木制大殿和寺庙依然屹立，层叠的屋顶和精巧的斗拱在地震、战争和风霜中幸存。然而这些杰作非常脆弱，保护它们已不仅仅依靠木工技艺。本研究提出了一种新的三维描述方法，使计算机不仅能“看见”建筑外观，还能理解每一部分的类型及其相互关系，为更智能的保护与研究奠定基础。

把古代工艺转化为数字构件

传统中国木构建筑遵循一种有序的逻辑：抬高的基座、由柱梁构成的木架、围护墙与门窗，以及复杂的屋顶。名为斗拱的特殊木制构件以及榫卯连接使建筑在承担沉重瓦顶的同时，在地震中具有一定的柔性。作者认为，要真正保护这一遗产，数字模型必须捕捉这种层次结构和专有词汇，而不仅仅是外形。现有的三维模型乃至许多面向遗产的建筑信息模型，常常精确记录形状，却模糊或忽略了工匠使用的传统类别，这使得诸如某些构件属于哪个屋顶层，或特定一组斗拱如何关联到附近的柱子等问题难以回答。

为三维城市模型加入语义

为弥合这一差距，研究人员扩展了用于描述三维城市的国际标准 CityGML，创建了名为中国木构建筑应用域扩展（CTAADE）的专用附加规范。该扩展引入了四个主要层次——基础、木结构、垂直围护和屋顶——及17种关键构件类型，包括基座、柱、梁、椽、瓦、墙、窗和斗拱等。每个数字对象都可以携带如历史时期、风格、保护等级和尺寸等信息，并与空间中的几何表面关联。通过将这些构件按清晰的层级嵌套，CTAADE使计算机“知道”某根梁属于哪个殿堂，处于木结构层，并连接到特定的柱组与屋顶构件。

从设计文件到富含语义的遗产模型

在此框架上，团队设计了一条流程，将现有的遗产建筑信息模型转换为符合 CTAADE 的城市模型。从商业设计软件创建的详细三维模型出发，他们自动提取每个对象的形状和基本属性。由于原始模型通常仅以非常宽泛的类别标注元素，随后由专家使用与 17 种 CTAADE 构件类型对应的映射表对每个部件进行分类——例如区分基座、门、梁或单个斗拱组合。定制脚本最终将所有几何和语义编码为 CityGML 文件，使结果可以被标准地理信息系统和可视化工具读取。

在一座大殿中检验方法

为展示其方法的效果，作者将 CTAADE 应用于山西太原崇善寺的大悲殿，这是一座明代大型木构大殿，具有层层檐口和精细的木构细部。他们将其遗产建筑信息模型转换为基于 CTAADE 的三维城市模型，包含 4,704 个语义构件和超过五十万个三角面。通过专用查看器验证文件遵循 CityGML 规则，几何基元几乎全部有效。更重要的是，软件能够显示构件树，突出单个元素（如单组斗拱或屋顶层），并展示其属性与关系，从而实现仅靠裸网格无法完成的丰富查询。

这对保护历史建筑意味着什么

通俗地说，这项工作为保护者、规划者和研究者提供了一种共享的、计算机可读的语言，用以讨论复杂的木构寺庙。CTAADE 不再把大殿视为一个整体外壳，而是将其分解为可检索、可分析并能与结构模拟或风化暴露等其他数据链接的有意义部分。虽然当前模型聚焦于一种主要的建筑类型，并仍依赖人工专家进行构件分类，但它可以扩展到其他结构，并与人工智能配合以加速识别。最终，这种语义化的三维方法有望支持遗产地的数字孪生，帮助社会规划修复、评估风险，并将蕴含于古代木工技艺中的知识传承给后代。

引用: 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

关键词: 古代中国木构建筑, 三维语义建模, CityGML ADE, 文化遗产保护, HBIM 集成