HBIM model of part of the St. Wenceslas Church in Ostrava

Abstract

The digital preservation of cultural heritage increasingly relies on Heritage Building Information Modeling (HBIM). However, standard architectural software is engineered for modern, straight line construction, which often struggles to handle the complex geometric irregularities and complex layered historical data of cultural monuments. To bridge this gap, this diploma thesis directly addresses a highly repeatable, open-source framework for semantic HBIM by using the St. Wenceslas Church in Ostrava as a primary case study, the research validates an practical and end-to-end workflow from reality capture to semantic data federation.

The physical environment of the church's Main Hall was captured using Terrestrial Laser Scanning (Leica RTC360) by providing a millimeter-accurate spatial baseline. During the geometric reconstruction in Autodesk Revit, using a hybrid Level of Geometry (LOG) strategy under U.S. Institute of Building Documentation (USIBD) tolerances (±20 mm). In order to overcome software limitations without reducing the computational performance, complex historical anomalies, like deformed Gothic cross-ribbed vaults and leaning Renaissance pillars, were parametrized using custom swept and loadable families.

In order to ensure the 3D model functions as a true historical database rather than just a static drawing, this geometry was semantically enriched using the internationally recognized CIDOC CRM (ISO 21127:2023) ontology. The Protégé ontology editor was used strictly as a theoretical blueprint to bypass the limitations of disconnected external ontology files, which uses knowledge graphs to link events, phases, actors, materials and more. The historical metadata was embedded directly into the 3D elements through custom Shared Parameters and exported using the advanced IFC 4x3 schema. After this, the enriched openBIM dataset is uploaded into the CRAIS.io web viewer which validates the creation of an active, interactive digital conservation logbook, therefore it validates a successful visualization and data retrieval. Ultimately, this thesis proves that complex architectural heritage can be digitally managed using open standards without sacrificing geometric fidelity and successfully laying the foundation for future integration with IoT sensors and Machine Learning (ML) as a living Digital Twin.

Digitální ochrana kulturního dědictví se stále více spoléhá na informační modelování historických budov (HBIM). Standardní architektonický software je však navržen pro moderní, pravoúhlou výstavbu, a proto se často potýká s obtížemi při zpracování složitých geometrických nepravidelností a komplexních vrstvených historických dat kulturních památek. K překlenutí této mezery se tato diplomová práce přímo zabývá vysoce opakovatelným open-source rámcem pro sémantický HBIM. S využitím kostela sv. Václava v Ostravě jako hlavní případové studie výzkum ověřuje praktický a komplexní pracovní postup od sběru dat z reality až po federaci sémantických dat.

Fyzické prostředí hlavní lodi kostela bylo zachyceno pomocí pozemního laserového skenování (Leica RTC360), čímž byla získána prostorová základna s milimetrovou přesností. Během geometrické rekonstrukce v programu Autodesk Revit byla využita hybridní strategie úrovně geometrie (LOG) v rámci tolerancí amerického institutu pro dokumentaci budov (USIBD) (±20 mm). Aby bylo možné překonat omezení softwaru bez snížení výpočetního výkonu, byly složité historické anomálie, jako jsou deformované gotické křížové klenby a nakloněné renesanční pilíře, parametrizovány pomocí vlastních tažených a načítatelných rodin.

Aby 3D model fungoval jako skutečná historická databáze, a nikoli pouze jako statický výkres, byla tato geometrie sémanticky obohacena pomocí mezinárodně uznávané ontologie CIDOC CRM (ISO 21127:2023). Editor ontologií Protégé byl použit výhradně jako teoretický návrh k obejití omezení odpojených externích ontologických souborů, který využívá znalostní grafy k propojení událostí, fází, aktérů, materiálů a dalších prvků. Historická metadata byla vložena přímo do 3D prvků prostřednictvím vlastních sdílených parametrů (Shared Parameters) a exportována pomocí pokročilého schématu IFC 4x3. Poté byla obohacená datová sada openBIM nahrána do webového prohlížeče CRAIS.io, což ověřuje vytvoření aktivního a interaktivního digitálního konzervátorského deníku, a tím i úspěšnou vizualizaci a vyhledávání dat. Závěrem tato práce dokazuje, že složité architektonické dědictví lze digitálně spravovat pomocí otevřených standardů bez ztráty geometrické přesnosti, a úspěšně tak pokládá základy pro budoucí integraci se senzory IoT a strojovým učením (ML) ve formě živého digitálního dvojčete (Digital Twin).