1.1 土的工程分类与性质

土木工程的发展贯通古今,它同社会、经济,特别是与科学、技术的发展有密切联系。土木工程内涵丰富,而就其本身而言,则主要是围绕着材料、施工、理论三个方面的演变而不断发展的。为便于叙述,权且将土木工程发展史划为古代土木工程、近代土木工程和现代土木工程三个时代。以17世纪工程结构开始有定量分析,作为近代土木工程时代的开端;把第二次世界大战后科学技术的突飞猛进,作为现代土木工程时代的起点。人类最初居无定所,利用天然掩蔽物作为居处,农业出现以后需要定居,出现了原始村落,土木工程开始了它的萌芽时期。随着古代文明的发展和社会进步,古代土木工程经历了它的形成时期和发达时期,不过因受到社会经济条件的制约,发展颇不平衡。古代的无数伟大工程建设,是灿烂古代文明的重要组成部分。古代土木工程最初完全采用天然材料,后来出现人工烧制的瓦和砖,这是土木工程发展史上的一件大事。古代的土木工程实践应用简单的工具,依靠手工劳动,并没有系统的理论,但通过经验的积累,逐步形成了指导工程实践的成规。15世纪以后,近代自然科学的诞生和发展,是近代土木工程出现的先声,是它开始在理论上的奠基时期。17世纪中叶,伽利略开始对结构进行定量分析,被认为是土木工程进入近代的标志。从此土木工程成为有理论基础的独立的学科。18世纪下半叶开始的产业革命,使以蒸汽和电力为动力的机械先后进入了土木工程领域,施工工艺和工具都发生了变革。近代工业生产出新的工程材料──钢铁和水泥,土木工程发生了深刻的变化,使钢结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构相继在土木工程中广泛应用。第一次世界大战后,近代土木工程在理论和实践上都臻于成熟,可称为成熟时期。近代土木工程几百年的发展,在规模和速度上都大大超过了古代。第二次世界大战后,现代科学技术飞速发展,土木工程也进入了一个新时代。现代土木工程所经历的时间尽管只有几十年,但以计算机技术广泛应用为代表的现代科学技术的发展,使土木工程领域出现了崭新的面貌。现代土木工程的新特征是工程功能化、城市立体化和交通高速化等。土木工程在材料、施工、理论三个方面也出现了新趋势,即材料轻质高强化、施工过程工业化和理论研究精密化。土木工程具有综合性、实践性、社会性等属性,牵涉面十分广阔,这个简史只是就发展的某些侧面作概略的描述。古代土木工程土木工程的古代时期是从新石器时代开始的。随着人类文明的进步和生产经验的积累,古代土木工程的发展大体上可分为萌芽时期、形成时期和发达时期。萌芽时期 大致在新石器时代,原始人为避风雨、防兽害,利用天然的掩蔽物,例如山洞和森林作为住处。当人们学会播种收获、驯养动物以后,天然的山洞和森林已不能满足需要,于是使用简单的木、石、骨制工具,伐木采石,以粘土、木材和石头等,模仿天然掩蔽物建造居住场所,开始了人类最早的土木工程活动。初期建造的住所因地理、气候等自然条件的差异,仅有“窟穴”和“橧巢”两种类型。在北方气候寒冷干燥地区多为穴居,在山坡上挖造横穴,在平地则挖造袋穴。后来穴的面积逐渐扩大,深度逐渐减小。在中国黄河流域的仰韶文化遗址(约公元前5000~前3000年)中,遗存有浅穴和地面建筑,建筑平面有圆形、方形和多室联排的矩形。西安半坡村遗址(约公元前4800~前3600年)有很多圆形房屋,直径为5~6米,室内竖有木柱,以支顶上部屋顶,四周密排一圈小木柱,既起承托屋檐的结构作用,又是维护结构的龙骨;还有的是方形房屋,其承重方式完全依靠骨架,柱子纵横排列,这是木骨架的雏形。当时的柱脚均埋在土中,木杆件之间用绑扎结合,墙壁抹草泥,屋顶铺盖茅草或抹泥。在西伯利亚发现用兽骨、北方鹿角架起的半地穴式住所。新石器时代已有了基础工程的萌芽,柱洞里填有碎陶片或鹅卵石,即是柱础石的雏形。洛阳王湾的仰韶文化遗址(约公元前4000~前3000年)中,有一座面积约200米2的房屋,墙下挖有基槽,槽内填卵石,这是墙基的雏形。在尼罗河流域的埃及,新石器时代的住宅是用木材或卵石做成墙基,上面造木构架,以芦苇束编墙或土坯砌墙,用密排圆木或芦苇束做屋顶。在地势低洼的河流湖泊附近,则从构木为巢发展为用树枝、树干搭成架空窝棚或地窝棚,以后又发展为栽桩架屋的干栏式建筑。中国浙江吴兴钱山漾遗址(约公元前3000年),是在密桩上架木梁,上铺悬空的地板。西欧一些地方也出现过相似的做法,今瑞士境内保存着湖居人在湖中木桩上构筑的房屋。浙江余姚河姆渡新石器时代遗址(约公元前5000~前3300年)中,有跨距达5~6米、联排6~7间的房屋,底层架空(属于干栏式建筑形式),构件之结点主要是绑扎结合,但个别建筑已使用榫卯结合。在没有金属工具的条件下,用石制工具凿出各种榫卯是很困难的,这种榫卯结合的方法代代相传,延续到后世,为以木结构为主流的中国古建筑开创了先例。随着氏族群体日益繁衍,人们聚居在一起,共同劳动和生活。从中国西安半坡村遗址还可看到有条不紊的聚落布局,在浐河东岸的台地上遗存有密集排列的40~50座住房,在其中心部分有一座规模相当大的(平面约为12.5×14米)房屋,可能是会堂。各房屋之间筑有夯土道路,居住区周围挖有深、宽各约5米的防范袭击的大壕沟,上面架有独木桥。(见彩图)这时期的土木工程还只是使用石斧、石刀、石锛、石凿等简单的工具,所用的材料都是取自当地的天然材料,如茅草、竹、芦苇、树枝、树皮和树叶、砾石、泥土等。掌握了伐木技术以后,就使用较大的树干做骨架;有了锻烧加工技术,就使用红烧土、白灰粉、土坯等,并逐渐懂得使用草筋泥、混合土等复合材料。人们开始使用简单的工具和天然材料建房、筑路、挖渠、造桥,土木工程完成了从无到有的萌芽阶段。形成时期 随着生产力的发展,农业、手工业开始分工。大约自公元前3千年,在材料方面,开始出现经过烧制加工的瓦和砖;在构造方面,形成木构架、石梁柱、券拱等结构体系;在工程内容方面,有宫室、陵墓、庙堂,还有许多较大型的道路、桥梁、水利等工程;在工具方面,美索不达米亚(两河流域)和埃及在公元前3千年,中国在商代(公元前16~前11世纪),开始使用青铜制的斧、凿、钻、锯、刀、铲等工具。后来铁制工具逐步推广,并有简单的施工机械,也有了经验总结及形象描述的土木工程著作。公元前5世纪成书的《考工记》记述了木工、金工等工艺,以及城市、宫殿、房屋建筑规范,对后世的宫殿、城池及祭祀建筑的布局有很大影响。在一些国家或地区已形成早期的土木工程。中国在公元前21世纪,传说中的夏代部落领袖禹用疏导方法治理洪水,挖掘沟洫,进行灌溉。公元前5~前4世纪,在今河北临漳,西门豹主持修筑引漳灌邺工程,是中国最早的多首制灌溉工程。公元前3世纪中叶,在今四川灌县,李冰父子主持修建都江堰,解决围堰、防洪、灌溉以及水陆交通问题,是世界上最早的综合性大型水利工程。(见彩图)在大规模的水利工程、城市防护建设和交通工程中,创造了形式多样的桥梁。公元前12世纪初,中国在渭河上架设浮桥,是中国最早在大河上架设的桥梁。再如在引漳灌邺工程中,在汾河上建成30个墩柱的密柱木梁桥;在都江堰工程中,为了提供行船的通道,架设了索桥。中国利用黄土高原的黄土为材料创造的夯土技术,在中国土木工程技术发展史上占有很重要的地位(见中国古代土结构)。最早在甘肃大地湾新石器时期的大型建筑就用了夯土墙。河南偃师二里头有早商的夯筑筏式浅基础宫殿群遗址,以及郑州发现的商朝中期版筑城墙遗址、安阳殷墟(约公元前1100年)的夯土台基,都说明当时的夯土技术已成熟。以后相当长的时期里,中国的房屋等建筑都用夯土基础和夯土墙壁。春秋战国时期,战争频繁,广泛用夯土筑城防敌。秦代在魏、燕、赵三国夯土长城基础上筑成万里长城,后经历代多次修筑,留存至今,成为举世闻名的长城。(见彩图)中国的房屋建筑主要使用木构架结构。在商朝首都宫室遗址中,残存有一定间距和直线行列的石柱础,柱础上有铜锧,柱础旁有木柱的烬余,说明当时已有相当大的木构架建筑。《考工记·匠人》中有“殷人……四阿重屋”的记载,可知当时已有两层楼,四阿顶的建筑了。西周的青铜器上也铸有柱上置栌斗的木构架形象,说明当时在梁柱结合处已使用“斗”,做过渡层,柱间联系构件“额枋”也已形成。这时的木构架已开始有中国传统使用的柱、额、梁、枋、斗栱等。中国在西周时代已出现陶制房屋版瓦、筒瓦、人字形断面的脊瓦和瓦钉,解决了屋面防水问题。春秋时期出现陶制下水管、陶制井圈和青铜制杆件结合构件。在美索不达米亚(两河流域),制土坯和砌券拱的技术历史悠久。公元前8世纪建成的亚述国王萨尔贡二世宫,是用土坯砌墙、用石板、砖、琉璃贴面。埃及人在公元前3千年进行了大规模的水利工程以及神庙和金字塔的修建中,积累和运用了几何学、测量学方面的知识,使用了起重运输工具,组织了大规模协作劳动。公元前27~前26世纪,埃及建造了世界最大的帝王陵墓建筑群──吉萨金字塔群(参见彩图)。这些金字塔,在建筑上计算准确,施工精细,规模宏大。建造了大量的宫殿和神庙建筑群,如公元前16~前4世纪在底比斯等地建造的凯尔奈克神庙建筑群。希腊早期的神庙建筑用木屋架和土坯建造,屋顶荷重不用木柱支承,而是用墙壁和石柱承重。约在公元前7世纪,大部分神庙已改用石料建造。公元前5世纪建成的雅典卫城,在建筑、庙宇、柱式等方面都具有极高的水平。其中,如巴台农神庙全用白色大理石砌筑,庙宇宏大,石质梁柱结构精美,是典型的列柱围廊式建筑。在城市建设方面,早在公元前2千年前后,印度建摩亨朱达罗城,城市布局有条理,方格道路网主次分明,阴沟排水系统完备。中国现存的春秋战国遗址证实了《考工记》中有关周朝都城“方九里、旁三门,国(都城)中九经九纬(纵横干道各九条),经涂九轨(南北方向的干道可九车并行),左祖右社(东设皇家祭祖先的太庙,西设祭国土的坛台),面朝后市(城中前为朝廷,后为市肆)”的记载。这时中国的城市已有相当的规模,如齐国的临淄城,宽3公里,长4公里,城濠上建有8米多跨度的简支木桥,桥两端为石块和夯土制作的桥台。发达时期 由于铁制工具的普遍使用,提高了工效;工程材料中逐渐增添复合材料;工程内容则根据社会的发展,道路、桥梁、水利、排水等工程日益增加,大规模营建了宫殿、寺庙,因而专业分工日益细致,技术日益精湛,从设计到施工已有一套成熟的经验:①运用标准化的配件方法加速了设计进度,多数构件都可以按“材”或“斗口”、“柱径”的模数进行加工;②用预制构件,现场安装,以缩短工期;③统一筹划,提高效益,如中国北宋的汴京宫殿,施工时先挖河引水,为施工运料和供水提供方便,竣工时用渣土填河;④改进当时的吊装方法,用木材制成“戥”和绞磨等起重工具,可以吊起三百多吨重的巨材,如北京故宫三台的雕龙御路石以及罗马圣彼得大教堂前的方尖碑等。建筑工程 中国古代房屋建筑主要是采用木结构体系,欧洲古代房屋建筑则以石拱结构为主。①木结构。中国古建筑在这一时期又出现了与木结构相适应的建筑风格,形成独特的中国木结构体系(见中国古代木结构)。根据气候和木材产地的不同情况,在汉代即分为抬梁、穿斗、井干三种不同的结构方式,其中以抬梁式为最普遍。在平面上形成柱网,柱网之间可按需要砌墙和安门窗。房屋的墙壁不承担屋顶和楼面的荷重,使墙壁有极大的灵活性。在宫殿、庙宇等高级建筑的柱上和檐枋间安装斗栱。佛教建筑是中国东汉以来建筑活动中的一个重要方面,南北朝和唐朝大量兴建佛寺。公元8世纪建的山西五台山南禅寺正殿和公元9世纪建的佛光寺大殿,是遗留至今较完整的中国木构架建筑。中国佛教建筑对于日本等国也有很大影响。佛塔的建造促进了高层木结构的发展,公元2世纪末,徐州浮屠寺塔的“上累金盘,下为重楼”,是在吸收、融合和创造的过程中,把具有宗教意义的印度窣堵坡竖在楼阁之上(称为刹),形成楼阁式木塔。公元11世纪建成山西应县佛宫寺释迦塔(应县木塔),塔高67.3米,八角形,底层直径30.27米,每层用梁柱斗拱组合为自成体系的完整、稳定的构架,9层的结构中有8层是用3米左右的柱子支顶重叠而成,充分做到了小材大用。塔身采用内外两环柱网,各层柱子都向中心略倾(侧脚),各柱的上端均铺斗拱,用交圈的扶壁拱组成双层套筒式的结构。这座木塔不仅是世界上现存最高的木结构之一,而且在杆件和组合设计上,也隐涵着对结构力学的巧妙运用。(见彩图)②砖石结构。约自公元1世纪,中国东汉时,砖石结构有所发展(见中国古代石结构、中国古代砖结构。在汉墓中已可见到从梁式空心砖逐渐发展为券拱和穹窿顶。根据荷载的情况,有单拱券、双层拱券和多层券。每层券上卧铺一层条砖,移为“伏”。这种券伏相结合的方法在后来的发券工程中普遍采用。自公元4世纪北魏中期,砖石结构已用于地面上的砖塔、石塔建筑以及石桥等方面。公元6世纪建于河南登封县的嵩岳寺塔,是中国现存最早的密檐砖塔。(见彩图)早在公元前4世纪,罗马采用券拱技术砌筑下水道、隧道、渡槽等土木工程,在建筑工程方面继承和发展了古希腊的传统柱式。公元前2世纪,用石灰和火山灰的混合物作胶凝材料(后称罗马水泥)制成的天然混凝土,广泛应用,有力地推动了古罗马的券拱结构的大发展。公元前1世纪,在券拱技术基础上又发展了十字拱和穹顶。公元2世纪时,在陵墓、城墙、水道、桥梁等工程上大量使用发券。券拱结构与天然混凝土并用,其跨越距离和覆盖空间比梁柱结构要大得多,如万神庙(120~124年)的圆形正殿屋顶,直径为43.43米,是古代最大的圆顶庙。卡拉卡拉浴室(211~217年)采用十字拱和拱券平衡体系。古罗马的公共建筑类型多,结构设计、施工水平高,样式手法丰富,并初步建立了土木建筑科学理论,如维特鲁威著《建筑十书》(公元前1世纪)奠定了欧洲土木建筑科学的体系,系统地总结了古希腊、罗马的建筑实践经验。古罗马的技术成就对欧洲土木建筑的发展有深远影响。进入中世纪以后,拜占廷建筑继承古希腊、罗马的土木建筑技术并吸收了波斯、小亚一带文化成就,形成了独特的体系,解决了在方形平面上使用穹顶的结构和建筑形式问题,把穹顶支承在独立的柱上,取得开敞的内部空间,如圣索菲亚教堂(532~537年)为砖砌穹顶,外面覆盖铅皮,穹顶下的空间深68.6米,宽32.6米,中心高55米。8世纪在比利牛斯半岛上的阿拉伯建筑,运用马蹄形、火焰式、尖拱等拱券结构。科尔多瓦大礼拜寺(785~987年),即是用两层叠起的马蹄券。(见彩图)中世纪西欧各国的建筑,意大利仍继承罗马的风格,以比萨大教堂建筑群(11~13世纪)为代表;其他各国则以法国为中心,发展了哥特式教堂建筑的新结构体系。哥特式建筑采用骨架券为拱顶的承重构件,飞券扶壁抵挡拱脚的侧推力,并使用二圆心尖券和尖拱。巴黎圣母院(1163~1271年)的圣母教堂是早期哥特式教堂建筑的代表。(见彩图)15~16世纪,标志意大利文艺复兴建筑开始的佛罗伦萨教堂穹顶(1420~1470年),是世界最大的穹顶,在结构和施工技术上均达到很高的水平。集中了16世纪意大利建筑、结构和施工最高成就的,则是罗马圣彼得大教堂(1506~1626年)。意大利文艺复兴时期的土木建筑工程内容广泛,除教堂建筑外,还有各种公共建筑、广场建筑群,如威尼斯的圣马可广场等;人才辈出,理论活跃,如L.B.阿尔贝蒂著《论建筑》(1455年)是意大利文艺复兴期最重要的理论著作,体系完备,影响很大;施工技术和工具都有很大进步,工具除已有打桩机外,还有桅式和塔式起重设备以及其他新的工具。其他土木工程 发达时期的其他土木工程也有很多重大成就。秦朝在统一中国的过程中,运用各地不同的建设经验,开辟了联接咸阳各宫殿和苑囿的大道,以咸阳为中心修筑了通向全国的驰道,主要线路宽50步,统一了车轨,形成了全国规模的交通网。比中国的秦驰道早些,在欧洲,罗马建设了以罗马城为中心,包括有29条辐射主干道和322条联络干道,总长达78000公里的罗马大道网。汉代的道路约达30万里以上,为了越过高峻的山峦,修建了褒斜道、子午道,恢复了金牛道等许多著名栈道,所谓“栈道千里,通于蜀汉”。随着道路的发展,在通过河流时需要架桥渡河,当时桥的构造已有许多种形式。秦始皇为了沟通渭河两岸的宫室,首先营建咸阳渭河桥,为68跨的木构梁式桥,是秦汉史籍记载中最大的一座木桥。还有留存至今的世界著名隋代单孔圆弧弓形敞肩石拱桥──赵州桥。(见彩图)这个时期水利工程也有新的成就。公元前3世纪,中国秦代在今广西兴安开凿灵渠,总长34公里,落差32米,沟通湘江、漓江,联系长江、珠江水系,后建成能使“湘漓分流”的水利工程。公元前3~公元2世纪之间,古罗马采用券拱技术筑成隧道、石砌渡槽等城市输水道11条,总长530公里。其中如尼姆城的加尔河谷输水道桥(公元1世纪建),有268.8米长的一段是架在3层叠合的连续券上(见彩图)。公元7世纪初,中国隋代开凿了世界历史上最长的大运河,共长2500公里,13世纪元代兴建大都(今北京),科学家郭守敬进行了元大都水系的规划,由北部山中引水,汇合西山泉水汇成湖泊,流入通惠河。这样可以截留大量水源,既解决了都城的用水,又接通了从都城向南直达杭州的南北大运河。在城市建设方面,中国隋朝在汉长安城的东南,由宇文恺规划、兴建大兴城。唐朝复名为长安城,陆续改建,南北长9.72公里,东西宽8.65公里,按方整对称的原则,将宫城和皇城放在全城的主要位置上,按纵横相交的棋盘形街道布局,将其余部分划为108个里坊,分区明确、街道整齐。对城市的地形、水源、交通、防御、文化、商业和居住条件等,都作了周密的考虑。它的规划、设计为日本建设平安京(今京都)所借鉴。在土木工程工艺技术方面也有进步。分工日益细致,工种已分化出木作(大木作、小木作)、瓦作、泥作、土作、雕作、旋作、彩画作和窑作(烧砖、瓦)等。到15世纪意大利的有些工程设计,已由过去的行会师傅和手工业匠人逐渐转向出身于工匠而知识化了的建筑师、工程师来承担。出现了多种仪器,如抄平水准设备、度量外圆和内圆及方角等几何形状的器具“规”和“矩”。计算方法方面的进步,已能绘制平面、立面、剖面和细部大样等详图,并且用模型设计的表现方法。大量的工程实践促进人们认识的深化,编写出了许多优秀的土木工程著作,出现了众多的优秀工匠和技术人才,如中国宋喻皓著《木经》、李诫著《营造法式》,以及意大利文艺复兴时期阿尔贝蒂著《论建筑》等。欧洲于12世纪以后兴起的哥特式建筑结构,到中世纪后期已经有了初步的理论,其计算方法也有专门的记录。近代土木工程从17世纪中叶到20世纪中叶的300年间,是土木工程发展史中迅猛前进的阶段。这个时期土木工程的主要特征是:在材料方面,由木材、石料、砖瓦为主,到开始并日益广泛地使用铸铁、钢材、混凝土、钢筋混凝土,直至早期的预应力混凝土;在理论方面,材料力学、理论力学、结构力学、土力学、工程结构设计理论等学科逐步形成,设计理论的发展保证了工程结构的安全和人力物力的节约;在施工方面,由于不断出现新的工艺和新的机械,施工技术进步,建造规模扩大,建造速度加快了。在这种情况下,土木工程逐渐发展到包括房屋、道路、桥梁、铁路、隧道、港口、市政、卫生等工程建筑和工程设施,不仅能够在地面,而且有些工程还能在地下或水域内修建。土木工程在这一时期的发展可分为奠基时期、进步时期和成熟时期三个阶段。奠基时期 17世纪到18世纪下半叶是近代科学的奠基时期,也是近代土木工程的奠基时期。伽利略、I.牛顿等所阐述的力学原理是近代土木工程发展的起点。意大利学者伽利略在1638年出版的著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》中,论述了建筑材料的力学性质和梁的强度,首次用公式表达了梁的设计理论。这本书是材料力学领域中的第一本著作,也是弹性体力学史的开端。1687年牛顿总结的力学运动三大定律是自然科学发展史的一个里程碑,直到现在还是土木工程设计理论的基础。瑞士数学家L.欧拉在1744年出版的《曲线的变分法》建立了柱的压屈公式,算出了柱的临界压曲荷载,这个公式在分析工程构筑物的弹性稳定方面得到了广泛的应用。法国工程师C.-A.de库仑1773年写的著名论文《建筑静力学各种问题极大极小法则的应用》,说明了材料的强度理论、梁的弯曲理论、挡土墙上的土压力理论及拱的计算理论。这些近代科学奠基人突破了以现象描述、经验总结为主的古代科学的框框,创造出比较严密的逻辑理论体系,加之对工程实践有指导意义的复形理论、振动理论、弹性稳定理论等在18世纪相继产生,这就促使土木工程向深度和广度发展。尽管同土木工程有关的基础理论已经出现,但就建筑物的材料和工艺看,仍属于古代的范畴,如中国的雍和宫、法国的罗浮宫、印度的泰姬陵(见彩图)、俄国的冬宫等。土木工程实践的近代化,还有待于产业革命的推动。由于理论的发展,土木工程作为一门学科逐步建立起来,法国在这方面是先驱。1716年法国成立道桥部队,1720年法国政府成立交通工程队,1747年创立巴黎桥路学校,培养建造道路、河渠和桥梁的工程师。所有这些,表明土木工程学科已经形成。进步时期 18世纪下半叶,J.瓦特对蒸汽机作了根本性的改进。蒸汽机的使用推进了产业革命。规模宏大的产业革命,为土木工程提供了多种性能优良的建筑材料及施工机具,也对土木工程提出新的需求,从而促使土木工程以空前的速度向前迈进。土木工程的新材料、新设备接连问世,新型建筑物纷纷出现。1824年英国人J.阿斯普丁取得了一种新型水硬性胶结材料──波特兰水泥的专利权,1850年左右开始生产。1856年大规模炼钢方法──贝塞麦转炉炼钢法发明后,钢材越来越多地应用于土木工程。1851年英国伦敦建成水晶宫,采用铸铁梁柱,玻璃覆盖。1867年法国人J.莫尼埃用铁丝加固混凝土制成了花盆,并把这种方法推广到工程中,建造了一座贮水池,这是钢筋混凝土应用的开端。1875年,他主持建造成第一座长16米的钢筋混凝土桥。1886年,美国芝加哥建成家庭保险公司大厦,9层,初次按独立框架设计,并采用钢梁,被认为是现代高层建筑的开端。1889年法国巴黎建成高300米的埃菲尔铁塔,使用熟铁近8000吨。(见彩图)土木工程的施工方法在这个时期开始了机械化和电气化的进程。蒸汽机逐步应用于抽水、打桩、挖土、轧石、压路、起重等作业。19世纪60年代内燃机问世和70年代电机出现后,很快就创制出各种各样的起重运输、材料加工、现场施工用的专用机械和配套机械,使一些难度较大的工程得以加速完工;1825年英国首次使用盾构开凿泰晤士河河底隧道;1871年瑞士用风钻修筑8英里长的隧道;1906年瑞士修筑通往意大利的19.8公里长的辛普朗隧道(见彩图),使用了大量黄色炸药以及凿岩机等先进设备。瑞士国有铁路供稿产业革命还从交通方面推动了土木工程的发展。在航运方面,有了蒸汽机为动力的轮船,使航运事业面目一新,这就要求修筑港口工程,开凿通航轮船的运河。19世纪上半叶开始,英国、美国大规模开凿运河,1869年苏伊士运河通航和1914年巴拿马运河的凿成,体现了海上交通已完全把世界联成一体。在铁路方面,1825年G.斯蒂芬森建成了从斯托克顿到达灵顿、长21公里的第一条铁路,并用他自己设计的蒸汽机车行驶,取得成功。以后,世界上其他国家纷纷建造铁路。1869年美国建成横贯北美大陆的铁路,20世纪初俄国建成西伯利亚大铁路。20世纪铁路已成为不少国家国民经济的大动脉。1863年英国伦敦建成了世界第一条地下铁道,长7.6公里。以后世界上一些大城市也相继修建了地下铁道。在公路方面,1819年英国马克当筑路法明确了碎石路的施工工艺和路面锁结理论,提倡积极发展道路建设,促进了近代公路的发展。19世纪中叶内燃机制成和1885~1886年德国C.F.本茨和G.W.戴姆勒制成用内燃机驱动的汽车;1908年美国福特汽车公司用传送带大量生产汽车以后,大规模地进行公路建设工程。铁路和公路的空前发展也促进了桥梁工程的进步。早在1779年英国就用铸铁建成跨度30.5米的拱桥。1826年英国T.特尔福德用锻铁建成了跨度177米的麦内悬索桥,1850年R.斯蒂芬森用锻铁和角钢拼接成不列颠箱管桥,1890年英国福斯湾建成两孔主跨达521米的悬臂式桁架梁桥。现代桥梁的三种基本形式(梁式桥、拱桥、悬索桥)在这个时期相继出现了。近代工业的发展,人民生活水平的提高,人类需求的不断增长,还反映在房屋建筑及市政工程方面。电力的应用,电梯等附属设施的出现,使高层建筑实用化成为可能;电气照明、给水排水、供热通风、道路桥梁等市政设施与房屋建筑结合配套,开始了市政建设和居住条件的近代化;在结构上要求安全和经济,在建筑上要求美观和适用。科学技术发展和分工的需要,促使土木和建筑在19世纪中叶,开始分成为各有侧重的两个单独学科分支。工程实践经验的积累促进了理论的发展。19世纪,土木工程逐渐需要有定量化的设计方法。对房屋和桥梁设计,要求实现规范化。另一方面由于材料力学、静力学、运动学、动力学逐步形成,各种静定和超静定桁架内力分析方法和图解法得到很快的发展。1825年C.-L.-M.-H.纳维建立了结构设计的容许应力分析法;19世纪末G.D.A.里特尔等人提出钢筋混凝土理论,应用了极限平衡的概念;1900年前后钢筋混凝土弹性方法被普遍采用。各国还制定了各种类型的设计规范。1818年英国不列颠土木工程师会的成立,是工程师结社的创举,其他各国和国际性的学术团体也相继成立。理论上的突破,反过来极大地促进了工程实践的发展,这样就使近代土木工程这个工程学科日臻成熟。成熟时期 第一次世界大战以后,近代土木工程发展到成熟阶段。这个时期的一个标志是道路、桥梁、房屋大规模建设的出现。在交通运输方面,由于汽车在陆路交通中具有快速和机动灵活的特点,道路工程的地位日益重要。沥青和混凝土开始用于铺筑高级路面。1931~1942年德国首先修筑了长达3860公里的高速公路网(见联邦德国高速公路),美国和欧洲其他一些国家相继效法。20世纪初出现了飞机,飞机场工程迅速发展起来。钢铁质量的提高和产量的上升,使建造大跨桥梁成为现实。1918年加拿大建成魁北克悬臂桥,跨度548.6米;1937年美国旧金山建成金门悬索桥,跨度1280米,全长2825米,是公路桥的代表性工程;1932年,澳大利亚建成悉尼港桥,为双铰钢拱结构,跨度503米。(见彩图)工业的发达,城市人口的集中,使工业厂房向大跨度发展,民用建筑向高层发展。日益增多的电影院、摄影场、体育馆、飞机库等都要求采用大跨度结构。1925~1933年在法国、苏联和美国分别建成了跨度达60米的圆壳、扁壳和圆形悬索屋盖。中世纪的石砌拱终于被近代的壳体结构和悬索结构所取代。1931年美国纽约的帝国大厦落成,共102层,高378米,有效面积16万米2,结构用钢约5万余吨,内装电梯67部,还有各种复杂的管网系统,可谓集当时技术成就之大成,它保持世界房屋最高纪录达40年之久。(见彩图)1906年美国旧金山发生大地震,1923年日本关东发生大地震,生命财产遭受严重损失。1940年美国塔科马悬索桥毁于风振。这些自然灾害推动了结构动力学和工程抗害技术的发展。另外,超静定结构计算方法不断得到完善,在弹性理论成熟的同时,塑性理论、极限平衡理论也得到发展。近代土木工程发展到成熟阶段的另一个标志是预应力钢筋混凝土的广泛应用。1886年美国人P.H.杰克孙首次应用预应力混凝土制作建筑构件,后又用于制作楼板。1930年法国工程师E.弗雷西内把高强钢丝用于预应力混凝土,弗雷西内于1939年、比利时工程师G.马涅尔于1940年改进了张拉和锚固方法,于是预应力混凝土便广泛地进入工程领域,把土木工程技术推向现代化。中国清朝实行闭关锁国政策,近代土木工程进展缓慢,直到清末出现洋务运动,才引进一些西方技术。1909年,中国著名工程师詹天佑主持的京张铁路建成,全长约200公里,达到当时世界先进水平。全路有四条隧道,其中八达岭隧道长1091米。到1911年辛亥革命时,中国铁路总里程为9100公里。1894年建成用气压沉箱法施工的滦河桥,1901年建成全长1027米的松花江桁架桥,1905年建成全长3015米的郑州黄河桥。中国近代市政工程始于19世纪下半叶,1865年上海开始供应煤气,1879年旅顺建成近代给水工程,相隔不久,上海也开始供应自来水和电力。1889年唐山设立水泥厂,1910年开始生产机制砖。中国近代土木工程教育事业开始于1895年创办天津北洋西学学堂(后称北洋大学,今天津大学)和1896年创办北洋铁路官学堂(后称唐山交通大学,今西南交通大学)。中国近代建筑以1929年建成的中山陵(见彩图)和1931年建成的广州中山纪念堂(跨度30米)为代表。1934年在上海建成了钢结构的24层的国际饭店,21层的百老汇大厦(今上海大厦)和钢筋混凝土结构的12层的大新公司。到1936年,已有近代公路11万公里。中国工程师自己修建了浙赣铁路,粤汉铁路的株洲至韶关段以及陇海铁路西段等。1937年建成了公路铁路两用钢桁架的钱塘江桥,长1453米,采用沉箱基础。1912年成立中华工程师会,詹天佑为首任会长,30年代成立中国土木工程师学会(见中国土木工程学会)。到1949年土木工程高等教育基本形成了完整的体系。中国已拥有一支庞大的近代土木工程技术力量。 现代土木工程现代土木工程以社会生产力的现代发展为动力,以现代科学技术为背景,以现代工程材料为基础,以现代工艺与机具为手段高速度地向前发展。第二次世界大战结束后,社会生产力出现了新的飞跃。现代科学技术突飞猛进,土木工程进入一个新时代。在近40年中,前20年土木工程的特点是进一步大规模工业化,而后20年的特点则是现代科学技术对土木工程的进一步渗透。中国在1949年以后,经历了国民经济恢复时期和规模空前的经济建设时期。例如,到1965年全国公路通车里程80余万公里,是解放初期的10倍;铁路通车里程5万余公里,是50年代初的两倍多;火力发电容量超过2000万千瓦,居世界前五位。1979年后中国致力于现代化建设,发展加快。列入第六个五年计划(1981~1985年)的大中型建设项目达890个。1979~1982年间全国完成了3.1亿米2住宅建筑;城市给水普及率已达80%以上;北京等地高速度地进行城市现代化建设;京津塘(北京—天津—塘沽)高速公路和广深珠(广州—深圳、广州—珠海)高速公路开始兴建;有些铁路正在实现电气化;济南、天津等地跨度200多米的斜张桥相继建成;全国各地建成大量10余层到50余层的高层建筑。这些都说明中国土木工程已开始了现代化的进程。从世界范围来看,现代土木工程为了适应社会经济发展的需求,具有以下一些特征:工程功能化 现代土木工程的特征之一,是工程设施同它的使用功能或生产工艺更紧密地结合。复杂的现代生产过程和日益上升的生活水平,对土木工程提出了各种专门的要求。现代土木工程为了适应不同工业的发展,有的工程规模极为宏大,如大型水坝混凝土用量达数千万立方米,大型高炉的基础也达数千立方米;有的则要求十分精密,如电子工业和精密仪器工业要求能防微振。现代公用建筑和住宅建筑不再仅仅是传统意义上徒具四壁的房屋,而要求同采暖、通风、给水、排水、供电、供燃气等种种现代技术设备结成一体。对土木工程有特殊功能要求的各类特种工程结构也发展起来。例如,核工业的发展带来了新的工程类型。80年代初世界上已有23个国家拥有核电站277座,在建的还有613座,分布在40个国家。中国也已开始核电站建设。核电站的安全壳工程要求很高。又如为研究微观世界,许多国家都建造了加速器。中国从50年代以来建成了60余座加速器工程,目前正在兴建3座大规模的加速器工程,这些工程的要求也非常严格。海洋工程发展很快,80年代初海底石油的产量已占世界石油总产量的23%,海上钻井已达3000多口,固定式钻井平台已有300多座。中国在渤海、南海等处已开采海底石油。海洋工程已成为土木工程的新分支。现代土木工程的功能化问题日益突出,为了满足极专门和更多样的功能需要,土木工程更多地需要与各种现代科学技术相互渗透。城市立体化 随着经济的发展,人口的增长,城市用地更加紧张,交通更加拥挤,这就迫使房屋建筑和道路交通向高空和地下发展。高层建筑成了现代化城市的象征。1974年芝加哥建成高达433米的西尔斯大厦(见彩图),超过1931年建造的纽约帝国大厦的高度。现代高层建筑由于设计理论的进步和材料的改进,出现了新的结构体系,如剪力墙、筒中筒结构(见筒体结构)等。美国在1968~1974年间建造的三幢超过百层的高层建筑,自重比帝国大厦减轻20%,用钢量减少30%。高层建筑的设计和施工是对现代土木工程成就的一个总检阅。城市道路和铁路很多已采用高架,同时又向地层深处发展。地下铁道在近几十年得到进一步发展,地铁早已电气化,并与建筑物地下室连接,形成地下商业街。北京地下铁道在1969年通车后,1984年又建成新的环形线(见彩图)。地下停车库、地下油库日益增多。城市道路下面密布着电缆、给水、排水、供热、供燃气的管道,构成城市的脉络。现代城市建设已经成为一个立体的、有机的系统,对土木工程各个分支以及他们之间的协作提出了更高的要求。交通高速化 现代世界是开放的世界,人、物和信息的交流都要求更高的速度。高速公路虽然1934年就在德国出现,但在世界各地较大规模的修建,是第二次世界大战后的事。1983年,世界高速公路已达11万公里,很大程度上取代了铁路的职能。高速公路的里程数,已成为衡量一个国家现代化程度的标志之一。铁路也出现了电气化和高速化的趋势。日本的“新干线”铁路行车时速达210公里以上,法国巴黎到里昂的高速铁路运行时速达260公里。从工程角度来看,高速公路、铁路在坡度、曲线半径、路基质量和精度方面都有严格的限制。交通高速化直接促进着桥梁、隧道技术的发展。不仅穿山越江的隧道日益增多,而且出现长距离的海底隧道。日本从青森至函馆越过津轻海峡的青函海底隧道即将竣工,隧道长达53.85公里。航空事业在现代得到飞速发展,航空港遍布世界各地。航海业也有很大发展,世界上的国际贸易港口超过2000个,并出现了大型集装箱码头。中国的塘沽、上海、北仑、广州、湛江等港口也已逐步实现现代化,其中一些还建成了集装箱码头泊位。在现代土木工程出现上述特征的情况下,构成土木工程的三个要素(材料、施工和理论)也出现了新的趋势。材料轻质高强化 现代土木工程的材料进一步轻质化和高强化。工程用钢的发展趋势是采用低合金钢。中国从60年代起普遍推广了锰硅系列和其他系列的低合金钢,大大节约了钢材用量并改善了结构性能。高强钢丝、钢绞线和粗钢筋的大量生产,使预应力混凝土结构在桥梁、房屋等工程中得以推广。标号为500~600号的水泥已在工程中普遍应用,近年来轻集料混凝土和加气混凝土已用于高层建筑。例如美国休斯敦的贝壳广场大楼,用普通混凝土只能建35层,改用了陶粒混凝土,自重大大减轻,用同样的造价建造了52层。而大跨、高层、结构复杂的工程又反过来要求混凝土进一步轻质、高强化。高强钢材与高强混凝土的结合使预应力结构得到较大的发展。中国在桥梁工程、房屋工程中广泛采用预应力混凝土结构。重庆长江桥的预应力T构桥(见预应力混凝土桥),跨度达174米;24~32米的预应力混凝土梁在铁路桥梁工程中用了6万多孔;先张法和后张法的预应力混凝土屋架、吊车梁和空心板在工业建筑和民用建筑中广泛使用。铝合金、镀膜玻璃、石膏板、建筑塑料、玻璃钢等工程材料发展迅速。新材料的出现与传统材料的改进是以现代科学技术的进步为背景的。施工过程工业化 大规模现代化建设使中国和苏联、东欧的建筑标准化达到了很高的程度。人们力求推行工业化生产方式,在工厂中成批地生产房屋、桥梁的种种构配件、组合体等。预制装配化的潮流在50年代后席卷了以建筑工程为代表的许多土木工程领域。这种标准化在中国社会主义建设中,起了积极作用。中国建设规模在绝对数字上是巨大的,30年来城市工业与民用建筑面积达23亿多米2,其中住宅10亿米2,若不广泛推行标准化,是难以完成的。装配化不仅对房屋重要,也在中国桥梁建设中引出装配式轻型拱桥,从60年代开始采用与推广,对解决农村交通起了一定作用。在标准化向纵深发展的同时,种种现场机械化施工方法在70年代以后发展得特别快。采用了同步液压千斤顶的滑升模板广泛用于高耸结构。1975年建成的加拿大多伦多电视塔高达553米(见彩图),施工时就用了滑模,在安装天线时还使用了直升飞机。现场机械化的另一个典型实例是用一群小提升机同步提升大面积平板的升板结构施工方法。近10年来中国用这种方法建造了约300万米2房屋。此外,钢制大型模板、大型吊装设备与混凝土自动化搅拌楼、混凝土搅拌输送车、输送泵等相结合,形成了一套现场机械化施工工艺,使传统的现场灌筑混凝土方法获得了新生命,在高层、多层房屋和桥梁中部分地取代了装配化,成为一种发展很快的方法。现代技术使许多复杂的工程成为可能,例如中国宝成铁路有80%的线路穿越山岭地带,桥隧相连,成昆铁路桥隧总长占40%(见彩图);日本山阳线新大阪至博多段的隧道占50%;苏联在靠近北极圈的寒冷地带建造第二条西伯利亚大铁路;中国的川藏公路、青藏公路直通世界屋脊。由于采用了现代化的盾构,隧道施工加快,精度也提高。土石方工程中广泛采用定向爆破,解决大量土石方的施工。理论研究精密化 现代科学信息传递速度大大加快,一些新理论与方法,如计算力学、结构动力学、动态规划法、网络理论、随机过程论、滤波理论等的成果,随着计算机的普及而渗进了土木工程领域。结构动力学已发展完备。荷载不再是静止的和确定性的,而将被作为随时间变化的随机过程来处理。美国和日本使用由计算机控制的强震仪台网系统,提供了大量原始地震记录。日趋完备的反应谱方法和直接动力法在工程抗震中发挥很大作用。中国在抗震理论、测震、震动台模拟试验以及结构抗震技术等方面有了很大发展。静态的、确定的、线性的、单个的分析,逐步被动态的、随机的、非线性的、系统与空间的分析所代替。电子计算机使高次超静定的分析成为可能,例如高层建筑中框架-剪刀墙体系和筒中筒体系的空间工作,只有用电算技术才能计算。电算技术也促进了大跨桥梁的实现,1980年英国建成亨伯悬索桥,单跨达1410米,1983年西班牙建成卢纳预应力混凝土斜张桥,跨度达440米;中国于1975年在云阳建成第一座斜张桥后,济南黄河斜张桥跨度为220米(见彩图),天津永和桥跨度达260米。大跨度建筑的形式层出不穷,薄壳、悬索、网架和充气结构覆盖大片面积,满足种种大型社会公共活动的需要。1959年巴黎建成多波双曲薄壳的跨度达210米;1976年美国新奥尔良建成的网壳穹顶直径为207.3米;1975年美国密歇根庞蒂亚克体育馆充气塑料薄膜覆盖面积达35000多米2,可容纳观众8万人。中国也建成了许多大空间结构,如上海体育馆圆形网架直径110米(见彩图),北京工人体育馆悬索屋面净跨为94米。大跨建筑的设计也是理论水平的一个标志。从材料特性、结构分析、结构抗力计算到极限状态理论,在土木工程各个分支中都得到充分发展。50年代美国、苏联开始将可靠性理论引入土木工程领域。土木工程的可靠性理论建立在作用效应和结构抗力的概率分析基础上。工程地质、土力学和岩体力学的发展为研究地基、基础和开拓地下、水下工程创造了条件。计算机不仅用以辅助设计,更作为优化手段;不但运用于结构分析,而且扩展到建筑、规划领域。理论研究的日益深入,使现代土木工程取得许多质的进展,并使工程实践更离不开理论指导。此外,现代土木工程与环境关系更加密切,在从使用功能上考虑使它造福人类的同时,还要注意它与环境的谐调问题。现代生产和生活时刻排放大量废水、废气、废渣和噪声,污染着环境。环境工程,如废水处理工程等又为土木工程增添了新内容。核电站和海洋工程的快速发展,又产生新的引起人们极为关心的环境问题。现代土木工程规模日益扩大,例如:世界水利工程中,库容300亿米3以上的水库为28座,高于200米的大坝有25座。乌干达欧文瀑布水库库容达2040亿米3,苏联罗贡土石坝高325米;中国葛洲坝截断了世界最大河流之一的长江,并又开始筹建三峡高坝;巴基斯坦引印度河水的西水东调工程规模很大;中国在1983年完成了引滦入津工程。这些大水坝的建设和水系调整还会引起对自然环境的另一影响,即干扰自然和生态平衡,而且现代土木工程规模愈大,它对自然环境的影响也愈大。因此,伴随着大规模现代土木工程的建设,带来一个保持自然界生态平衡的课题,有待综合研究解决。 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