《Heritage》：A Geometry-Driven Structural Method for Supporting Archaeological Modelling in Partially Preserved Historic Constructions
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历史遗迹的考古重建需要将有限的证据转化为可验证的假设。本研究提出了一种方法学框架，在该框架中，只要输入数据受到独立约束且建模假设与可用的知识水平相一致，结构分析便发挥着主动的解释作用，而不仅仅是作为验证手段。该框架旨在具有可复制性，并可转移应用于以不完整保存为
历史遗迹的考古重建需要将有限的证据转化为可验证的假设。本研究提出了一种方法学框架，在该框架中，只要输入数据受到独立约束且建模假设与可用的知识水平相一致，结构分析便发挥着主动的解释作用，而不仅仅是作为验证手段。该框架旨在具有可复制性，并可转移应用于以不完整保存为特征的考古环境中。它结合了非侵入式调查技术——高分辨率数字记录和探地雷达——以建立可靠的几何和物理约束。随后采用基于推力的极限分析，遵循Heyman安全定理，通过自重下的静力平衡来评估重建假设。该方法在罗马马克森提乌斯竞技场的座席区上进行了测试，这是一个罗马混凝土建筑，其拱形地下结构的很大一部分已经坍塌或被掩埋。使用建筑考古推理、测量几何和地球物理证据，对三个典型横截面进行了虚拟重建。通过推力线容许度和几何安全系数评估了它们的稳定性。在独立分析时，仅有一个截面接近极限平衡，而其他截面被证明是不容许的，这表明后部回填物、帝国走廊附近的横向支撑墙和拱形结构是原始结构系统的重要组成部分。总体而言，研究表明，整合非侵入式数据和极限分析减少了重建部分保存的罗马建筑时的解释不确定性。
在建筑遗产研究领域，对部分现存历史建筑进行解释和重建建模一直是一项核心挑战。当历史遗迹因坍塌、掩埋或严重缺失而仅以残存状态留存时，对其原始构型的重建必然不可避免地依赖于假设。多年来，虚拟重建已被纳入数字遗产的宏观语境中，其中三维模型不再仅被视为视觉表现，而是整合几何、历史、考古和材料信息的结构化环境。历史建筑信息模型和数字孪生等概念在数据整合方面发挥了重要作用。然而将这些概念应用于考古结构仍具挑战性，因为缺失构件的几何与构造无法被直接观测，而只能从残缺且异质的证据中推断。此外，目前的人工智能辅助计算复原方法尽管能加速处理数据集，但其输出严重依赖于训练数据的代表性，且在存在认知不确定性的碎片化建筑中，几何上极具说服力的复原可能会掩盖实质性的认识论不确定。在此背景下，一个显著的技术盲点在于，日益丰富的虚拟模型并未对其嵌套的建筑构型是否与原有荷载传递机制相容进行物理上的评估验证。当输入数据缺乏严格约束时，结构分析极易陷入循环论证。特别是针对大型罗马建筑，其结构系统通常仅能部分解读，且罗马混凝土等材料本身具有高度非均质性，缺乏对施工细节、埋藏构件几何形态及当时材料力学性能的直接信息，构成了重大的知识空白，严重制约了复原与分析的可靠性。
为应对上述问题，本研究提出了一种可靠且高效的方法学框架，旨在利用结构分析支持部分现存历史建筑的考古解释与重建假设，并使结构分析超越纯粹事后的验证作用，转而成为解释过程的主动组成部分。该研究主张将非侵入式调查技术（如高分辨率数字测量和探地雷达）与基于推力的极限分析相结合。为了验证此框架的有效性，研究人员在《Heritage》上发表了相关成果，并将其应用于位于意大利罗马阿庇亚古道旁的4世纪罗马竞赛场——马克森提乌斯竞技场。该研究的重要意义在于，它跨越了数据组织与物理评估之间的鸿沟，提供了一个透明的假设检验过程，能够筛选出历史、几何上合理且力学上可行的重建方案，显著降低了部分保存古建筑虚拟重建中的解释不确定性。
在技术方法方面，研究人员主要采用了以下几种关键技术手段开展研究。首先，利用高分辨率近景摄影测量技术，对遗址的现存结构进行三维数字记录；其次，采用探地雷达系统，探测掩埋、坍塌或不可直接观测的地下基座、墙体及内置陶瓷等特征；随后，基于建筑考古学原理，结合测量几何与地球物理证据，提出虚拟重建假说；最后，采用基于Heyman安全定理（假设结构为无抗拉能力、具无限抗压强度的刚体且无块体滑动）的图解静力学与极限分析方法，仅输入材料自重参数，对重建假设的静力容许度及几何安全系数进行评估。
Cavea的结构响应：近极限容许度与构造意义
通过四个不同材料密度与是否包含双耳瓶的对比场景分析，研究发现截面CS.1-1在独立分析时，其推力线虽保持在结构厚度内但接近外墙边缘，仅能维持边际平衡，几何安全系数略微大于1。结果进一步表明，双耳瓶对整体减重和水平推力的影响微乎其微，反而会使安全系数略微下降。这证实将双耳瓶嵌入拱顶并非出于结构稳定性的优化目的，而是为了节约昂贵的混凝土材料。
截面CS.2-2的结构不相容性与额外稳定构件的证据
经推力线分析发现，该截面推力线越出外墙底部，安全系数远小于1，在自重下表现出极明显的不相容性。该结果结合考古证据表明，该区段原始结构的稳定必然依赖于额外支撑件，即原先存在于座席区与皇家走廊间的横向砌体墙。
截面CS.3-3与Pulvinar结构的相互作用
研究通过对该区段的分析指出，即使外墙更厚，其独立体系的安全系数仍低于1。推力线同样越出墙体。基于靠近皇室观台的空间特征，该结果原作者认为，该区段拱顶必然与皇家走廊旁的附属拱形建筑结构相互整合，以改变边界条件重新分布推力，实现整体平衡。
综合解释、推力激活与方法学启示
综合分析表明，该遗址的座席区不应被视为由独立墙体和拱顶组成的连续体，而应作为一个结构一体化系统，后部回填土、横向墙及相邻的拱顶是确保原始静力平衡的不可或缺要素。此外，穹顶内嵌入双耳瓶并未增强结构稳定，这支持了它们主要用于施工实践与材料节约的观点。极限分析在几何和考古限定下的复原中，证明了它是区分力学合理与否假说的有效工具，能够识别出原本缺失的稳定构件。需要指出的是，推力分析针对的是长期退化后结构开裂导致推力激活的临界状态，不宜将不相容结果直接判定为原始坍塌原因。
定性与灵敏度评估
由于缺乏统计意义上的概率分布，研究还对主要不确定来源进行了定性评估。考古假设的不确定性影响较高，因其定义了完全不同的结构方案；地球物理不确定性影响中等，其约束了掩埋界面的近似位置；几何与结构建模假设的影响极高，绝对推力受此限制；而调查误差与双耳瓶存在的影响则相对较低。
总结讨论与结论部分，研究确认了该项整合非侵入式数据与极限分析的方法学框架，在马克森提乌斯竞技场遗址的重建中发挥了关键作用。研究结论表明，在假设为独立系统时，无一截面能实现稳健的静力容许度：仅CS.1-1在近极限状态下接近平衡，而CS.2-2与CS.3-3在仅受自重作用下结构不相容。在竞技场特定的考古语境中，这些力学反馈强有力地支持了如下考古重建假设：后侧挡土填筑、横向支撑墙以及与帝国走廊和Pulvinar相关的相邻拱形结构共同构成了一个更大且相互联结的初始结构体系。同时，分析确证混凝土中嵌入的双耳瓶对结构稳定贡献极微。该研究框架未来的应用潜能将取决于调查诊断数据的获取质量，以及能否在分析中提供充分受限的假设，从而在更广泛的考古建筑评估中实现可复现性。
