土木工程發(fā)展歷史與前景展望

編制僅供參考審核批準(zhǔn)生效日期地址：電話：傳真:郵編:土木工程的發(fā)展歷史與前景展望一．引言人類出現(xiàn)以來，為了滿足住和行以及生產(chǎn)活動(dòng)的需要，從構(gòu)木為巢、掘土為穴的原始操作開始，到今天能建造摩天大廈、萬米長橋，以至移山填海的宏偉工程，經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程。土木工程的發(fā)展貫通古今，它同社會、經(jīng)濟(jì)，特別是與科學(xué)、技術(shù)的發(fā)展有密切聯(lián)系。土木工程內(nèi)涵豐富，而就其本身而言，則主要是圍繞著材料、施工、理論三個(gè)方面的演變而不斷發(fā)展的。為便于敘述，權(quán)且將土木工程發(fā)展史劃為古代土木工程、近代土木工程和現(xiàn)代土木工程三個(gè)時(shí)代。以17世紀(jì)工程結(jié)構(gòu)開始有定量分析，作為近代土木工程時(shí)代的開端；把第二次世界大戰(zhàn)后科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，作為現(xiàn)代土木工程時(shí)代的起點(diǎn)。人類最初居無定所，利用天然掩蔽物作為居處，農(nóng)業(yè)出現(xiàn)以后需要定居，出現(xiàn)了原始村落，土木工程開始了它的萌芽時(shí)期。隨著古代文明的發(fā)展和社會進(jìn)步，古代土木工程經(jīng)歷了它的形成時(shí)期和發(fā)達(dá)時(shí)期，不過因受到社會經(jīng)濟(jì)條件的制約，發(fā)展頗不平衡。古代的無數(shù)偉大工程建設(shè)，是燦爛古代文明的重要組成部分。古代土木工程最初完全采用天然材料，后來出現(xiàn)人工燒制的瓦和磚，這是土木工程發(fā)展史上的一件大事。古代的土木工程實(shí)踐應(yīng)用簡單的工具，依靠手工勞動(dòng)，并沒有系統(tǒng)的理論，但通過經(jīng)驗(yàn)的積累，逐步形成了指導(dǎo)工程實(shí)踐的成規(guī)。15世紀(jì)以后，近代自然科學(xué)的誕生和發(fā)展，是近代土木工程出現(xiàn)的先聲，是它開始在理論上的奠基時(shí)期。17世紀(jì)中葉，伽利略開始對結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析，被認(rèn)為是土木工程進(jìn)入近代的標(biāo)志。從此土木工程成為有理論基礎(chǔ)的獨(dú)立的學(xué)科。18世紀(jì)下半葉開始的產(chǎn)業(yè)革命，使以蒸汽和電力為動(dòng)力的機(jī)械先后進(jìn)入了土木工程領(lǐng)域，施工工藝和工具都發(fā)生了變革。近代工業(yè)生產(chǎn)出新的工程材料──鋼鐵和水泥，土木工程發(fā)生了深刻的變化，使鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)相繼在土木工程中廣泛應(yīng)用。第一次世界大戰(zhàn)后，近代土木工程在理論和實(shí)踐上都臻于成熟，可稱為成熟時(shí)期。近代土木工程幾百年的發(fā)展，在規(guī)模和速度上都大大超過了古代。第二次世界大戰(zhàn)后，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，土木工程也進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代。現(xiàn)代土木工程所經(jīng)歷的時(shí)間盡管只有幾十年，但以計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用為代表的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使土木工程領(lǐng)域出現(xiàn)了嶄新的面貌?，F(xiàn)代土木工程的新特征是工程功能化、城市立體化和交通高速化等。土木工程在材料、施工、理論三個(gè)方面也出現(xiàn)了新趨勢，即材料輕質(zhì)高強(qiáng)化、施工過程工業(yè)化和理論研究精密化。土木工程具有綜合性、實(shí)踐性、社會性等屬性，牽涉面十分廣闊，這個(gè)簡史只是就發(fā)展的某些側(cè)面作概略的描述。下面將分別介紹各個(gè)時(shí)期土木工程的歷史發(fā)展：二．古代土木工程土木工程的古代時(shí)期是從新石器時(shí)代開始的。隨著人類文明的進(jìn)步和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累，古代土木工程的發(fā)展大體上可分為萌芽時(shí)期、形成時(shí)期和發(fā)達(dá)時(shí)期。萌芽時(shí)期大致在新石器時(shí)代，原始人為避風(fēng)雨、防獸害，利用天然的掩蔽物，例如山洞和森林作為住處。當(dāng)人們學(xué)會播種收獲、馴養(yǎng)動(dòng)物以后，天然的山洞和森林已不能滿足需要，于是使用簡單的木、石、骨制工具，伐木采石，以粘土、木材和石頭等，模仿天然掩蔽物建造居住場所，開始了人類最早的土木工程活動(dòng)。初期建造的住所因地理、氣候等自然條件的差異，僅有“窟穴”和“橧巢”兩種類型。在北方氣候寒冷干燥地區(qū)多為穴居，在山坡上挖造橫穴，在平地則挖造袋穴。后來穴的面積逐漸擴(kuò)大，深度逐漸減小。在中國黃河流域的仰韶文化遺址（約公元前5000～前3000年）中，遺存有淺穴和地面建筑，建筑平面有圓形、方形和多室聯(lián)排的矩形。西安半坡村遺址（約公元前4800～前3600年）有很多圓形房屋，直徑為5～6米，室內(nèi)豎有木柱，以支頂上部屋頂，四周密排一圈小木柱，既起承托屋檐的結(jié)構(gòu)作用，又是維護(hù)結(jié)構(gòu)的龍骨；還有的是方形房屋，其承重方式完全依靠骨架，柱子縱橫排列，這是木骨架的雛形。當(dāng)時(shí)的柱腳均埋在土中，木桿件之間用綁扎結(jié)合，墻壁抹草泥，屋頂鋪蓋茅草或抹泥。在西伯利亞發(fā)現(xiàn)用獸骨、北方鹿角架起的半地穴式住所。隨著氏族群體日益繁衍，人們聚居在一起，共同勞動(dòng)和生活。從中國西安半坡村遺址還可看到有條不紊的聚落布局，在浐河?xùn)|岸的臺地上遺存有密集排列的40～50座住房，在其中心部分有一座規(guī)模相當(dāng)大的（平面約為12.5×14米）房屋，可能是會堂。各房屋之間筑有夯土道路，居住區(qū)周圍挖有深、寬各約5米的防范襲擊的大壕溝，上面架有獨(dú)木橋。（見圖1）圖1中國西安半坡村遺址這時(shí)期的土木工程還只是使用石斧、石刀、石錛、石鑿等簡單的工具，所用的材料都是取自當(dāng)?shù)氐奶烊徊牧希缑┎?、竹、蘆葦、樹枝、樹皮和樹葉、礫石、泥土等。掌握了伐木技術(shù)以后，就使用較大的樹干做骨架；有了鍛燒加工技術(shù)，就使用紅燒土、白灰粉、土坯等，并逐漸懂得使用草筋泥、混合土等復(fù)合材料。人們開始使用簡單的工具和天然材料建房、筑路、挖渠、造橋，土木工程完成了從無到有的萌芽階段。形成時(shí)期隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，農(nóng)業(yè)、手工業(yè)開始分工。大約自公元前3千年，在材料方面，開始出現(xiàn)經(jīng)過燒制加工的瓦和磚；在構(gòu)造方面，形成木構(gòu)架、石梁柱、券拱等結(jié)構(gòu)體系；在工程內(nèi)容方面，有宮室、陵墓、廟堂，還有許多較大型的道路、橋梁、水利等工程；在工具方面，美索不達(dá)米亞（兩河流域）和埃及在公元前3千年，中國在商代（公元前16～前11世紀(jì)），開始使用青銅制的斧、鑿、鉆、鋸、刀、鏟等工具。后來鐵制工具逐步推廣，并有簡單的施工機(jī)械，也有了經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及形象描述的土木工程著作。公元前5世紀(jì)成書的《考工記》記述了木工、金工等工藝，以及城市、宮殿、房屋建筑規(guī)范，對后世的宮殿、城池及祭祀建筑的布局有很大影響。在一些國家或地區(qū)已形成早期的土木工程。中國在公元前21世紀(jì)，傳說中的夏代部落領(lǐng)袖禹用疏導(dǎo)方法治理洪水，挖掘溝洫，進(jìn)行灌溉。公元前5～前4世紀(jì)，在今河北臨漳，西門豹主持修筑引漳灌鄴工程，是中國最早的多首制灌溉工程。公元前3世紀(jì)中葉，在今四川灌縣，李冰父子主持修建都江堰，解決圍堰、防洪、灌溉以及水陸交通問題，是世界上最早的綜合性大型水利工程。（見圖2）圖2四川都江堰春秋戰(zhàn)國時(shí)期，戰(zhàn)爭頻繁，廣泛用夯土筑城防敵。秦代在魏、燕、趙三國夯土長城基礎(chǔ)上筑成萬里長城，后經(jīng)歷代多次修筑，留存至今，成為舉世聞名的長城。（見圖3）圖3長城中國的房屋建筑主要使用木構(gòu)架結(jié)構(gòu)。在商朝首都宮室遺址中，殘存有一定間距和直線行列的石柱礎(chǔ)，柱礎(chǔ)上有銅锧，柱礎(chǔ)旁有木柱的燼余，說明當(dāng)時(shí)已有相當(dāng)大的木構(gòu)架建筑。《考工記·匠人》中有“殷人……四阿重屋”的記載，可知當(dāng)時(shí)已有兩層樓，四阿頂?shù)慕ㄖ?。西周的青銅器上也鑄有柱上置櫨斗的木構(gòu)架形象，說明當(dāng)時(shí)在梁柱結(jié)合處已使用“斗”，做過渡層，柱間聯(lián)系構(gòu)件“額枋”也已形成。這時(shí)的木構(gòu)架已開始有中國傳統(tǒng)使用的柱、額、梁、枋、斗栱等。埃及人在公元前3千年進(jìn)行了大規(guī)模的水利工程以及神廟和金字塔的修建中，積累和運(yùn)用了幾何學(xué)、測量學(xué)方面的知識，使用了起重運(yùn)輸工具，組織了大規(guī)模協(xié)作勞動(dòng)。公元前27～前26世紀(jì)，埃及建造了世界最大的帝王陵墓建筑群──吉薩金字塔群（見圖4）。這些金字塔，在建筑上計(jì)算準(zhǔn)確，施工精細(xì)，規(guī)模宏大。建造了大量的宮殿和神廟建筑群，如公元前16～前4世紀(jì)在底比斯等地建造的凱爾奈克神廟建筑群。圖4吉薩金字塔群在城市建設(shè)方面，早在公元前2千年前后，印度建摩亨朱達(dá)羅城，城市布局有條理，方格道路網(wǎng)主次分明，陰溝排水系統(tǒng)完備。中國現(xiàn)存的春秋戰(zhàn)國遺址證實(shí)了《考工記》中有關(guān)周朝都城“方九里、旁三門，國(都城)中九經(jīng)九緯（縱橫干道各九條），經(jīng)涂九軌（南北方向的干道可九車并行），左祖右社（東設(shè)皇家祭祖先的太廟，西設(shè)祭國土的壇臺），面朝后市（城中前為朝廷，后為市肆）”的記載。這時(shí)中國的城市已有相當(dāng)?shù)囊?guī)模，如齊國的臨淄城，寬3公里，長4公里，城濠上建有8米多跨度的簡支木橋，橋兩端為石塊和夯土制作的橋臺。發(fā)達(dá)時(shí)期由于鐵制工具的普遍使用，提高了工效；工程材料中逐漸增添復(fù)合材料；工程內(nèi)容則根據(jù)社會的發(fā)展，道路、橋梁、水利、排水等工程日益增加，大規(guī)模營建了宮殿、寺廟，因而專業(yè)分工日益細(xì)致，技術(shù)日益精湛，從設(shè)計(jì)到施工已有一套成熟的經(jīng)驗(yàn):①運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)化的配件方法加速了設(shè)計(jì)進(jìn)度，多數(shù)構(gòu)件都可以按“材”或“斗口”、“柱徑”的模數(shù)進(jìn)行加工；②用預(yù)制構(gòu)件，現(xiàn)場安裝，以縮短工期；③統(tǒng)一籌劃，提高效益，如中國北宋的汴京宮殿，施工時(shí)先挖河引水，為施工運(yùn)料和供水提供方便，竣工時(shí)用渣土填河；④改進(jìn)當(dāng)時(shí)的吊裝方法，用木材制成“戥”和絞磨等起重工具，可以吊起三百多噸重的巨材，如北京故宮三臺的雕龍御路石以及羅馬圣彼得大教堂前的方尖碑等。早在公元前4世紀(jì)，羅馬采用券拱技術(shù)砌筑下水道、隧道、渡槽等土木工程，在建筑工程方面繼承和發(fā)展了古希臘的傳統(tǒng)柱式。公元前2世紀(jì)，用石灰和火山灰的混合物作膠凝材料(后稱羅馬水泥)制成的天然混凝土，廣泛應(yīng)用，有力地推動(dòng)了古羅馬的券拱結(jié)構(gòu)的大發(fā)展。公元前1世紀(jì)，在券拱技術(shù)基礎(chǔ)上又發(fā)展了十字拱和穹頂。公元2世紀(jì)時(shí)，在陵墓、城墻、水道、橋梁等工程上大量使用發(fā)券。券拱結(jié)構(gòu)與天然混凝土并用，其跨越距離和覆蓋空間比梁柱結(jié)構(gòu)要大得多，如萬神廟(120～124年)的圓形正殿屋頂，直徑為43.43米，是古代最大的圓頂廟?？ɡɡ∈遥?11～217年）采用十字拱和拱券平衡體系。古羅馬的公共建筑類型多，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工水平高，樣式手法豐富，并初步建立了土木建筑科學(xué)理論，如維特魯威著《建筑十書》（公元前1世紀(jì)）奠定了歐洲土木建筑科學(xué)的體系，系統(tǒng)地總結(jié)了古希臘、羅馬的建筑實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。古羅馬的技術(shù)成就對歐洲土木建筑的發(fā)展有深遠(yuǎn)影響。進(jìn)入中世紀(jì)以后，拜占廷建筑繼承古希臘、羅馬的土木建筑技術(shù)并吸收了波斯、小亞一帶文化成就，形成了獨(dú)特的體系，解決了在方形平面上使用穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)和建筑形式問題，把穹頂支承在獨(dú)立的柱上，取得開敞的內(nèi)部空間，如圣索菲亞教堂（532～537年）為磚砌穹頂，外面覆蓋鉛皮，穹頂下的空間深68.6米，寬32.6米，中心高55米。8世紀(jì)在比利牛斯半島上的阿拉伯建筑，運(yùn)用馬蹄形、火焰式、尖拱等拱券結(jié)構(gòu)。科爾多瓦大禮拜寺（785～987年），即是用兩層疊起的馬蹄券。（見圖5）圖5科爾多瓦大禮拜寺中世紀(jì)西歐各國的建筑，意大利仍繼承羅馬的風(fēng)格，以比薩大教堂建筑群（11～13世紀(jì)）為代表；其他各國則以法國為中心，發(fā)展了哥特式教堂建筑的新結(jié)構(gòu)體系。哥特式建筑采用骨架券為拱頂?shù)某兄貥?gòu)件，飛券扶壁抵擋拱腳的側(cè)推力，并使用二圓心尖券和尖拱。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。（見圖6）圖6巴黎圣母院15～16世紀(jì)，標(biāo)志意大利文藝復(fù)興建筑開始的佛羅倫薩教堂穹頂（1420～1470年），是世界最大的穹頂，在結(jié)構(gòu)和施工技術(shù)上均達(dá)到很高的水平。集中了16世紀(jì)意大利建筑、結(jié)構(gòu)和施工最高成就的，則是羅馬圣彼得大教堂意大利文藝復(fù)興時(shí)期的土木建筑工程內(nèi)容廣泛，除教堂建筑外，還有各種公共建筑、廣場建筑群，如威尼斯的圣馬可廣場等；人才輩出，理論活躍，如L.B.阿爾貝蒂著《論建筑》（1455年）是意大利文藝復(fù)興期最重要的理論著作，體系完備，影響很大；施工技術(shù)和工具都有很大進(jìn)步，工具除已有打樁機(jī)外，還有桅式和塔式起重設(shè)備以及其他新的工具。發(fā)達(dá)時(shí)期的其他土木工程也有很多重大成就。秦朝在統(tǒng)一中國的過程中，運(yùn)用各地不同的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，開辟了聯(lián)接咸陽各宮殿和苑囿的大道，以咸陽為中心修筑了通向全國的馳道，主要線路寬50步，統(tǒng)一了車軌，形成了全國規(guī)模的交通網(wǎng)。比中國的秦馳道早些，在歐洲，羅馬建設(shè)了以羅馬城為中心，包括有29條輻射主干道和322條聯(lián)絡(luò)干道，總長達(dá)78000公里的羅馬大道網(wǎng)。漢代的道路約達(dá)30萬里以上，為了越過高峻的山巒，修建了褒斜道、子午道，恢復(fù)了金牛道等許多著名棧道，所謂“棧道千里，通于蜀漢”。隨著道路的發(fā)展，在通過河流時(shí)需要架橋渡河，當(dāng)時(shí)橋的構(gòu)造已有許多種形式。秦始皇為了溝通渭河兩岸的宮室，首先營建咸陽渭河橋，為68跨的木構(gòu)梁式橋，是秦漢史籍記載中最大的一座木橋。還有留存至今的世界著名隋代單孔圓弧弓形敞肩石拱橋──趙州橋。(見圖7）圖7趙州橋這個(gè)時(shí)期水利工程也有新的成就。公元前3世紀(jì)，中國秦代在今廣西興安開鑿靈渠，總長34公里，落差32米，溝通湘江、漓江，聯(lián)系長江、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世紀(jì)之間，古羅馬采用券拱技術(shù)筑成隧道、石砌渡槽等城市輸水道11條，總長530公里。其中如尼姆城的加爾河谷輸水道橋（公元1世紀(jì)建），有268.8米長的一段是架在3層疊合的連續(xù)券上（見彩圖）。公元7世紀(jì)初，中國隋代開鑿了世界歷史上最長的大運(yùn)河，共長2500公里，13世紀(jì)元代興建大都（今北京），科學(xué)家郭守敬進(jìn)行了元大都水系的規(guī)劃，由北部山中引水，匯合西山泉水匯成湖泊，流入通惠河。這樣可以截留大量水源，既解決了都城的用水，又接通了從都城向南直達(dá)杭州的南北大運(yùn)河。三．近代土木工程從17世紀(jì)中葉到20世紀(jì)中葉的300年間，是土木工程發(fā)展史中迅猛前進(jìn)的階段。這個(gè)時(shí)期土木工程的主要特征是：在材料方面，由木材、石料、磚瓦為主，到開始并日益廣泛地使用鑄鐵、鋼材、混凝土、鋼筋混凝土，直至早期的預(yù)應(yīng)力混凝土；在理論方面，材料力學(xué)、理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土力學(xué)、工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論等學(xué)科逐步形成，設(shè)計(jì)理論的發(fā)展保證了工程結(jié)構(gòu)的安全和人力物力的節(jié)約；在施工方面，由于不斷出現(xiàn)新的工藝和新的機(jī)械，施工技術(shù)進(jìn)步，建造規(guī)模擴(kuò)大，建造速度加快了。在這種情況下，土木工程逐漸發(fā)展到包括房屋、道路、橋梁、鐵路、隧道、港口、市政、衛(wèi)生等工程建筑和工程設(shè)施，不僅能夠在地面，而且有些工程還能在地下或水域內(nèi)修建。土木工程在這一時(shí)期的發(fā)展可分為奠基時(shí)期、進(jìn)步時(shí)期和成熟時(shí)期三個(gè)階段。奠基時(shí)期17世紀(jì)到18世紀(jì)下半葉是近代科學(xué)的奠基時(shí)期，也是近代土木工程的奠基時(shí)期。伽利略、I.牛頓等所闡述的力學(xué)原理是近代土木工程發(fā)展的起點(diǎn)。意大利學(xué)者伽利略在1638年出版的著作《關(guān)于兩門新科學(xué)的談話和數(shù)學(xué)證明》中，論述了建筑材料的力學(xué)性質(zhì)和梁的強(qiáng)度，首次用公式表達(dá)了梁的設(shè)計(jì)理論。這本書是材料力學(xué)領(lǐng)域中的第一本著作，也是彈性體力學(xué)史的開端。1687年牛頓總結(jié)的力學(xué)運(yùn)動(dòng)三大定律是自然科學(xué)發(fā)展史的一個(gè)里程碑，直到現(xiàn)在還是土木工程設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)。瑞士數(shù)學(xué)家L.歐拉在1744年出版的《曲線的變分法》建立了柱的壓屈公式，算出了柱的臨界壓曲荷載，這個(gè)公式在分析工程構(gòu)筑物的彈性穩(wěn)定方面得到了廣泛的應(yīng)用。法國工程師C.-A.de庫侖1773年寫的著名論文《建筑靜力學(xué)各種問題極大極小法則的應(yīng)用》，說明了材料的強(qiáng)度理論、梁的彎曲理論、擋土墻上的土壓力理論及拱的計(jì)算理論。這些近代科學(xué)奠基人突破了以現(xiàn)象描述、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為主的古代科學(xué)的框框，創(chuàng)造出比較嚴(yán)密的邏輯理論體系，加之對工程實(shí)踐有指導(dǎo)意義的復(fù)形理論、振動(dòng)理論、彈性穩(wěn)定理論等在18世紀(jì)相繼產(chǎn)生，這就促使土木工程向深度和廣度發(fā)展。進(jìn)步時(shí)期18世紀(jì)下半葉，J.瓦特對蒸汽機(jī)作了根本性的改進(jìn)。蒸汽機(jī)的使用推進(jìn)了產(chǎn)業(yè)革命。規(guī)模宏大的產(chǎn)業(yè)革命，為土木工程提供了多種性能優(yōu)良的建筑材料及施工機(jī)具，也對土木工程提出新的需求，從而促使土木工程以空前的速度向前邁進(jìn)。土木工程的新材料、新設(shè)備接連問世，新型建筑物紛紛出現(xiàn)。1824年英國人J.阿斯普丁取得了一種新型水硬性膠結(jié)材料──波特蘭水泥的專利權(quán)，1850年左右開始生產(chǎn)。1856年大規(guī)模煉鋼方法──貝塞麥轉(zhuǎn)爐煉鋼法發(fā)明后，鋼材越來越多地應(yīng)用于土木工程。1851年英國倫敦建成水晶宮，采用鑄鐵梁柱，玻璃覆蓋。1867年法國人J.莫尼埃用鐵絲加固混凝土制成了花盆，并把這種方法推廣到工程中，建造了一座貯水池，這是鋼筋混凝土應(yīng)用的開端。1875年，他主持建造成第一座長16米的鋼筋混凝土橋。1886年，美國芝加哥建成家庭保險(xiǎn)公司大廈，9層，初次按獨(dú)立框架設(shè)計(jì)，并采用鋼梁，被認(rèn)為是現(xiàn)代高層建筑的開端。1889年法國巴黎建成高300米的埃菲爾鐵塔，使用熟鐵近8000噸。土木工程的施工方法在這個(gè)時(shí)期開始了機(jī)械化和電氣化的進(jìn)程。蒸汽機(jī)逐步應(yīng)用于抽水、打樁、挖土、軋石、壓路、起重等作業(yè)。19世紀(jì)60年代內(nèi)燃機(jī)問世和70年代電機(jī)出現(xiàn)后，很快就創(chuàng)制出各種各樣的起重運(yùn)輸、材料加工、現(xiàn)場施工用的專用機(jī)械和配套機(jī)械，使一些難度較大的工程得以加速完工；1825年英國首次使用盾構(gòu)開鑿泰晤士河河底隧道;1871年瑞士用風(fēng)鉆修筑8英里長的隧道；1906年瑞士修筑通往意大利的19.8公里長的辛普朗隧道，使用了大量黃色炸藥以及鑿巖機(jī)等先進(jìn)設(shè)備。近代工業(yè)的發(fā)展，人民生活水平的提高，人類需求的不斷增長，還反映在房屋建筑及市政工程方面。電力的應(yīng)用，電梯等附屬設(shè)施的出現(xiàn)，使高層建筑實(shí)用化成為可能；電氣照明、給水排水、供熱通風(fēng)、道路橋梁等市政設(shè)施與房屋建筑結(jié)合配套，開始了市政建設(shè)和居住條件的近代化；在結(jié)構(gòu)上要求安全和經(jīng)濟(jì)，在建筑上要求美觀和適用。成熟時(shí)期第一次世界大戰(zhàn)以后，近代土木工程發(fā)展到成熟階段。這個(gè)時(shí)期的一個(gè)標(biāo)志是道路、橋梁、房屋大規(guī)模建設(shè)的出現(xiàn)。在交通運(yùn)輸方面，由于汽車在陸路交通中具有快速和機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，道路工程的地位日益重要。瀝青和混凝土開始用于鋪筑高級路面。1931～1942年德國首先修筑了長達(dá)3860公里的高速公路網(wǎng)（見聯(lián)邦德國高速公路），美國和歐洲其他一些國家相繼效法。20世紀(jì)初出現(xiàn)了飛機(jī)，飛機(jī)場工程迅速發(fā)展起來。鋼鐵質(zhì)量的提高和產(chǎn)量的上升，使建造大跨橋梁成為現(xiàn)實(shí)。1918年加拿大建成魁北克懸臂橋，跨度548.6米；1937年美國舊金山建成金門懸索橋，跨度1280米，全長2825米，是公路橋的代表性工程；1932年，澳大利亞建成悉尼港橋，為雙鉸鋼拱結(jié)構(gòu)，跨度503米。（見圖8）圖8澳大利亞建成悉尼港橋近代土木工程發(fā)展到成熟階段的另一個(gè)標(biāo)志是預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的廣泛應(yīng)用。1886年美國人P.H.杰克孫首次應(yīng)用預(yù)應(yīng)力混凝土制作建筑構(gòu)件，后又用于制作樓板。1930年法國工程師E.弗雷西內(nèi)把高強(qiáng)鋼絲用于預(yù)應(yīng)力混凝土，弗雷西內(nèi)于1939年、比利時(shí)工程師G.馬涅爾于1940年改進(jìn)了張拉和錨固方法，于是預(yù)應(yīng)力混凝土便廣泛地進(jìn)入工程領(lǐng)域，把土木工程技術(shù)推向現(xiàn)代化。這一時(shí)期的中國，由于當(dāng)時(shí)的政府實(shí)行閉關(guān)鎖國政策，近代土木工程發(fā)展緩慢，直到清末出現(xiàn)洋務(wù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，才引進(jìn)了—些西方技術(shù)，陸續(xù)建成了一些典型工程。1909年詹天佑主持建成京張鐵路，全長約200km，達(dá)到了當(dāng)時(shí)的世界先進(jìn)水平，全路有四條隧道，其中八達(dá)嶺隧道長達(dá)1091m；1894年建成用氣壓沉箱法施工的灤河大橋；1901年全長1027m的松花江衍架橋竣工；1905年建成全長3015m的鄭州黃河橋。1865年上海開始供應(yīng)煤氣。1879年旅順建成中國第—個(gè)近代給水工程。1929年中山陵建成。1931年建成廣州中山紀(jì)念堂。1934年在上海建成了24層鋼結(jié)構(gòu)的國際飯店。1937年建成公路鐵路兩用的鋼桁架橋——錢塘江橋，全長1453m，采用沉箱基礎(chǔ)（見圖9）。在材料方面，1889年在唐山出現(xiàn)了中國第一個(gè)水泥廠；1910年開始生產(chǎn)機(jī)磚。這些工程建設(shè)在中國近代土木工程史上都具有一定的代表性。圖9錢塘江大橋四．現(xiàn)代土木工程現(xiàn)代土木工程以社會生產(chǎn)力的現(xiàn)代發(fā)展為動(dòng)力，以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為背景，以現(xiàn)代工程材料為基礎(chǔ)，以現(xiàn)代工藝與機(jī)具為手段高速度地向前發(fā)展。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，社會生產(chǎn)力出現(xiàn)了新的飛躍。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，土木工程進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。在近40年中，前20年土木工程的特點(diǎn)是進(jìn)一步大規(guī)模工業(yè)化，而后20年的特點(diǎn)則是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對土木工程的進(jìn)一步滲透。中國在1949年以后，經(jīng)歷了國民經(jīng)濟(jì)恢復(fù)時(shí)期和規(guī)模空前的經(jīng)濟(jì)建設(shè)時(shí)期。例如，到1965年全國公路通車?yán)锍?0余萬公里，是解放初期的10倍；鐵路通車?yán)锍?萬余公里，是50年代初的兩倍多；火力發(fā)電容量超過2000萬千瓦，居世界前五位。1979年后中國致力于現(xiàn)代化建設(shè)，發(fā)展加快。列入第六個(gè)五年計(jì)劃（1981～1985年）的大中型建設(shè)項(xiàng)目達(dá)890個(gè)。1979～1982年間全國完成了3.1億米2住宅建筑;城市給水普及率已達(dá)80％以上;北京等地高速度地進(jìn)行城市現(xiàn)代化建設(shè)；京津塘（北京—天津—塘沽）高速公路和廣深珠（廣州—深圳、廣州—珠海）高速公路開始興建;有些鐵路正在實(shí)現(xiàn)電氣化;濟(jì)南、天津等地跨度200多米的斜張橋相繼建成;全國各地建成大量10余層到50余層的高層建筑。這些都說明中國土木工程已開始了現(xiàn)代化的進(jìn)程。從世界范圍來看，現(xiàn)代土木工程為了適應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，具有以下一些特征：工程功能化現(xiàn)代土木工程的特征之一，是工程設(shè)施同它的使用功能或生產(chǎn)工藝更緊密地結(jié)合。復(fù)雜的現(xiàn)代生產(chǎn)過程和日益上升的生活水平，對土木工程提出了各種專門的要求?，F(xiàn)代土木工程為了適應(yīng)不同工業(yè)的發(fā)展，有的工程規(guī)模極為宏大，如大型水壩混凝土用量達(dá)數(shù)千萬立方米，大型高爐的基礎(chǔ)也達(dá)數(shù)千立方米；有的則要求十分精密，如電子工業(yè)和精密儀器工業(yè)要求能防微振?，F(xiàn)代公用建筑和住宅建筑不再僅僅是傳統(tǒng)意義上徒具四壁的房屋，而要求同采暖、通風(fēng)、給水、排水、供電、供燃?xì)獾确N種現(xiàn)代技術(shù)設(shè)備結(jié)成一體。城市立體化隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的增長，城市用地更加緊張，交通更加擁擠，這就迫使房屋建筑和道路交通向高空和地下發(fā)展。高層建筑成了現(xiàn)代化城市的象征。1974年芝加哥建成高達(dá)433米的西爾斯大廈（見彩圖），超過1931年建造的紐約帝國大廈的高度。現(xiàn)代高層建筑由于設(shè)計(jì)理論的進(jìn)步和材料的改進(jìn)，出現(xiàn)了新的結(jié)構(gòu)體系，如剪力墻、筒中筒結(jié)構(gòu)(見筒體結(jié)構(gòu))等。美國在1968～1974年間建造的三幢超過百層的高層建筑，自重比帝國大廈減輕20％，用鋼量減少30％。高層建筑的設(shè)計(jì)和施工是對現(xiàn)代土木工程成就的一個(gè)總檢閱。城市道路和鐵路很多已采用高架，同時(shí)又向地層深處發(fā)展。地下鐵道在近幾十年得到進(jìn)一步發(fā)展，地鐵早已電氣化，并與建筑物地下室連接，形成地下商業(yè)街。北京地下鐵道在1969年通車后，1984年又建成新的環(huán)形線。地下停車庫、地下油庫日益增多。城市道路下面密布著電纜、給水、排水、供熱、供燃?xì)獾墓艿?，?gòu)成城市的脈絡(luò)。現(xiàn)代城市建設(shè)已經(jīng)成為一個(gè)立體的、有機(jī)的系統(tǒng)，對土木工程各個(gè)分支以及他們之間的協(xié)作提出了更高的要求。交通高速化現(xiàn)代世界是開放的世界，人、物和信息的交流都要求更高的速度。高速公路雖然1934年就在德國出現(xiàn)，但在世界各地較大規(guī)模的修建，是第二次世界大戰(zhàn)后的事。1983年，世界高速公路已達(dá)11萬公里，很大程度上取代了鐵路的職能。高速公路的里程數(shù)，已成為衡量一個(gè)國家現(xiàn)代化程度的標(biāo)志之一。鐵路也出現(xiàn)了電氣化和高速化的趨勢。日本的“新干線”鐵路行車時(shí)速達(dá)210公里以上，法國巴黎到里昂的高速鐵路運(yùn)行時(shí)速達(dá)260公里。從工程角度來看，高速公路、鐵路在坡度、曲線半徑、路基質(zhì)量和精度方面都有嚴(yán)格的限制。交通高速化直接促進(jìn)著橋梁、隧道技術(shù)的發(fā)展。不僅穿山越江的隧道日益增多，而且出現(xiàn)長距離的海底隧道。日本從青森至函館越過津輕海峽的青函海底隧道即將竣工，隧道長達(dá)53.85公里。材料輕質(zhì)高強(qiáng)化現(xiàn)代土木工程的材料進(jìn)一步輕質(zhì)化和高強(qiáng)化。工程用鋼的發(fā)展趨勢是采用低合金鋼。中國從60年代起普遍推廣了錳硅系列和其他系列的低合金鋼，大大節(jié)約了鋼材用量并改善了結(jié)構(gòu)性能。高強(qiáng)鋼絲、鋼絞線和粗鋼筋的大量生產(chǎn)，使預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在橋梁、房屋等工程中得以推廣。標(biāo)號為500～600號的水泥已在工程中普遍應(yīng)用，近年來輕集料混凝土和加氣混凝土已用于高層建筑。例如美國休斯敦的貝殼廣場大樓，用普通混凝土只能建35層，改用了陶粒混凝土，自重大大減輕，用同樣的造價(jià)建造了52層。而大跨、高層、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工程又反過來要求混凝土進(jìn)一步輕質(zhì)、高強(qiáng)化。施工過程工業(yè)化大規(guī)?，F(xiàn)代化建設(shè)使中國和蘇聯(lián)、東歐的建筑標(biāo)準(zhǔn)化達(dá)到了很高的程度。人們力求推行工業(yè)化生產(chǎn)方式，在工廠中成批地生產(chǎn)房屋、橋梁的種種構(gòu)配件、組合體等。預(yù)制裝配化的潮流在50年代后席卷了以建筑工程為代表的許多土木工程領(lǐng)域。這種標(biāo)準(zhǔn)化在中國社會主義建設(shè)中，起了積極作用。中國建設(shè)規(guī)模在絕對數(shù)字上是巨大的，30年來城市工業(yè)與民用建筑面積達(dá)23億多米2，其中住宅10億米2，若不廣泛推行標(biāo)準(zhǔn)化，是難以完成的。裝配化不僅對房屋重要，也在中國橋梁建設(shè)中引出裝配式輕型拱橋，從60年代開始采用與推廣，對解決農(nóng)村交通