土木工程概論緒論

緒論1.1土木工程概況1.2土木工程的歷史與發(fā)展1.3土木工程專業(yè)的培養(yǎng)目標與素質教育思考題

1.1土木工程概況

1.1.1土木工程定義

土木工程的英語名稱為CivilEngineer，即“民用工程”，是指一切和水、土、文化有關的基礎建設的計劃、建造和維修。目前，我國將土木工程分為：房屋工程、鐵路工程、道路工程、機場工程、橋梁工程、隧道及地下工程、特種工程結構、給排水工程、城市供熱供(燃)氣工程、交通工程、環(huán)境工程、港口工程、水利工程、土方工程。

1.1.2土木工程的性質和特點

1．綜合性

建造一項工程設施一般要經過勘察、設計和施工三個階段，需要運用工程地質勘察、工程測量、土力學、工程力學、工程設計、建筑材料、建筑設備、工程機械、建筑經濟等學科和施工技術、施工組織等領域的知識以及電子計算機和力學測試等技術。因而土木工程是一門范圍廣闊的綜合性學科。

2．社會性

土木工程是伴隨著人類社會的發(fā)展而發(fā)展起來的。它所建造的工程設施反映出各個歷史時期社會經濟、文化、科學、技術發(fā)展的面貌，因而土木工程也就成為社會歷史發(fā)展的見證之一。

3．實踐性

土木工程是具有很強的實踐性的學科。在早期，土木工程是通過工程實踐，總結成功的經驗，吸取失敗的教訓發(fā)展起來的。

土木工程技術的發(fā)展之所以主要憑借工程實踐而不是憑借科學試驗和理論研究，有兩個原因：一是有些客觀情況過于復雜，難以如實地進行室內實驗或現場測試和理論分析。例如，地基基礎、隧道及地下工程的受力和變形的狀態(tài)及其隨時間的變化，至今還需要參考工程經驗進行分析判斷。二是只有進行新的工程實踐，才能揭示新的問題。例如，建造了高層建筑、高聳塔桅和大跨橋梁等，工程的抗風和抗震問題突出了，才能發(fā)展出這方面的新理論和技術。

4．技術上、經濟上和建筑藝術上的統(tǒng)一性

人們力求最經濟地建造一項工程設施，用以滿足使用者的需要，其中包括審美要求。而一項工程的經濟性又是和各項技術活動密切相關的。工程的經濟性首先表現在工程選址、總體規(guī)劃上，其次表現在設計和施工技術上。工程建設的總投資，工程建成后的經濟效益和使用期間的維修費用等，都是衡量工程經濟性的重要方面。這些技術問題聯(lián)系密切，需要綜合考慮。

符合功能要求的土木工程設施作為一種空間藝術，首先是通過總體布局、本身的體形、各部分的尺寸比例、線條、色彩、明暗陰影與周圍環(huán)境，包括它同自然景物的協(xié)調和諧表現出來的；其次是通過附加于工程設施的局部裝飾反映出來的。工程設施的造型和裝飾還能夠表現出地方風格、民族風格以及時代風格。一個成功的、優(yōu)美的工程設施，能夠為周圍的景物、城鎮(zhèn)的容貌增美，給人以美的享受；反之，會使環(huán)境受到破壞。

1.2土木工程的歷史與發(fā)展

1.2.1古代土木工程

土木工程的古代時期是從新石器時代開始的。隨著人類文明的進步和生產經驗的積累，古代土木工程的發(fā)展大體上可分為萌芽時期、形成時期和發(fā)達時期。

1．萌芽時期

大約在新石器時代，原始人為了避風雨、防獸害，利用天然的掩蔽物，例如山洞和森林作為住處。

初期建造的住所受地理、氣候等自然條件的影響，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。

基礎工程的萌芽在新石器時代已經出現，柱洞里填有碎陶片或鵝卵石，即是柱礎石的雛形。

在低洼的河流湖泊附近，則從構木為巢發(fā)展為用樹枝、樹干搭成架空窩棚或地窩棚，以后又發(fā)展為栽樁架屋的干欄式建筑。

隨著氏族群體不斷的發(fā)展壯大，人們群居在一起，共同勞動和生活。從中國西安半坡村遺址(如圖1-1所示)還可看到有條不紊的聚落布局，在河東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米的用于防范襲擊的大壕溝，上面架有獨木橋。

圖1-1西安半坡村遺址

這時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地的天然材料，如茅草、竹、蘆葦、樹枝、樹皮和樹葉、礫石、泥土等。掌握了伐木技術以后，人們就使用較大的樹干做骨架；有了鍛燒加工技術，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。

2．形成時期

隨著人類社會生產力的發(fā)展，農業(yè)和手工業(yè)開始分工。大約自公元前3千年，在材料方面，開始出現了經過燒制加工的瓦和磚；在構造方面，形成木構架、石梁柱、券拱等結構體系；在工程內容方面，有宮殿、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至前11世紀)，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，并有了簡單的施工機械，也有了經驗總結及形象描述的土木工程著作。公

約公元前21世紀，傳說中的夏代部落領袖禹用疏導方法治理洪水，挖掘溝洫，進行灌溉。公元前5至前4世紀，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世紀中葉，在今四川灌縣，李冰父子主持修建都江堰水利工程，它規(guī)模宏大，地點適宜，布局合理，兼有航行、灌溉、防洪三種作用，是世界上最早的綜合性大型水利工程(如圖1-2所示)。在歷史和科學方面具有突出的普遍價值，因此都江堰被確定為世界文化遺產。

圖1-2都江堰水利工程

春秋戰(zhàn)國時期，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上筑成萬里長城，后經歷代多次修筑，留存至今，成為舉世聞名的中國萬里長城(如圖1-3所示)。

圖1-3長城

公元前3000年埃及人進行了大規(guī)模的水利工程和神廟以及金字塔的修建，積累和運用了幾何學、測量學方面的知識，使用了起重運輸工具，組織了大規(guī)模的協(xié)作勞動。公元前27至前26世紀，埃及建造了世界最大的帝王陵墓建筑群——吉薩金字塔群(如圖1-4所示)。埃及人也建造了大量的宮殿和神廟建筑群，如公元前16至前4世紀在底比斯等地建造的凱爾奈克神廟建筑群。

圖1-4埃及吉薩金字塔群

希臘早期的神廟建筑用木屋架和土坯建造，屋頂荷重不用木柱支承，而是用墻壁和石柱承重。約在公元前7世紀，大部分神廟已改用石料建造。公元前5世紀建成的雅典衛(wèi)城，在建筑、廟宇、柱式等方面都具有極高的水平。其中，如巴臺農神廟全用白色大理石砌筑，廟宇宏大，石質梁柱結構精美，是典型的列柱圍廊式建筑。

這一時期的城市建設也得到極大的發(fā)展，早在公元前2000年前后，印度建摩亨朱達羅城，其城市布局合理，方格道路網主次分明，排水系統(tǒng)完善。中國現存的春秋戰(zhàn)國遺址證實了《考工記》中有關周朝都城“方九里、旁三門，國(都城)中九經九緯(縱橫干道各九條)，經涂九軌(南北方向的干道可九車并行)，左祖右社(東設皇家祭祖先的太廟，西設祭國土的壇臺)，面朝后市(城中前為朝廷，后為市肆)”的記載。這時中國的城市已有相當的規(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。

3．發(fā)達時期

由于鐵制工具的廣泛應用，提高了效率；工程材料中逐漸增添復合材料；工程內容則根據社會的發(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)分工日益細致，技術日益精湛，從設計到施工已有一套成熟的經驗：

(1)運用標準化的配件方法加速了設計進度，多數構件都可以按“材”或“斗口”、“柱徑”的模數進行加工；

(2)用預制構件，現場安裝，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，施工時先挖河引水，為施工運料和供水提供方便，竣工時用渣土填河；

(4)改進當時的吊裝方法，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。

中國古代房屋建筑主要是采用木結構體系，歐洲古代房屋建筑則以石拱結構為主。中國古建筑在這一時期又出現了與木結構相適應的建筑風格，形成獨特的中國木結構體系。根據氣候和木材產地的不同情況，在漢代即分為抬梁、穿斗、井干三種不同的結構方式，其中以抬梁式最為普遍。在平面上形成柱網，柱網之間可按需要砌墻和安門窗。房屋的墻壁不承擔屋頂和樓面的荷重，使墻壁有極大的靈活性。在宮殿、廟宇等高級建筑的柱上和檐枋間安裝斗栱。

中國東漢以來建筑活動中的一個重要方面是佛教建筑，南北朝和唐朝大量興建佛寺。公元8世紀建的山西五臺山南禪寺正殿和公元9世紀建的佛光寺大殿，是遺留至今較完整的中國木構架建筑。中國佛教建筑對于日本等國也有很大影響。

佛塔的建造促進了高層木結構的發(fā)展。公元2世紀末，徐州浮屠寺塔的“上累金盤，下為重樓”，是在吸收、融合和創(chuàng)造的過程中，把具有宗教意義的印度堵坡豎在樓閣之上(稱為剎)，形成樓閣式木塔。公元11世紀建成山西應縣佛宮寺釋迦塔(應縣木塔)，塔高67.3米，八角形，底層直徑為30.27米，每層用梁柱斗拱組合為自成體系的完整、穩(wěn)定的構架，9層的結構中有8層是用3米左右的柱子支頂重疊而成，充分做到了小材大用。塔身采用內外兩環(huán)柱網，各層柱子都向中心略傾(側腳)，各柱的上端均鋪斗拱，用交圈的扶壁拱組成雙層套筒式的結構。這座木塔不僅是世界上現存最高的木結構之一，而且在桿件和組合設計上，也隱涵著對結構力學的巧妙運用(如圖1-5所示)。圖1-5山西應縣木塔

約自公元1世紀，中國東漢時，磚石結構有所發(fā)展。在漢墓中已可見到從梁式空心磚逐漸發(fā)展為券拱和穹窿頂。根據荷載的情況，有單拱券、雙層拱券和多層券。每層券上臥鋪一層條磚，稱為“伏”。這種券伏相結合的方法在后來的發(fā)券工程中普遍采用。自公元4世紀北魏中期，磚石結構已用于地面上的磚塔、石塔建筑以及石橋等方面。公元6世紀建于河南登封縣的嵩岳寺塔，是中國現存最早的密檐磚塔(如圖1-6所示)。

圖1-6河南登封嵩岳寺塔

進入中世紀以后，拜占廷建筑繼承古希臘、羅馬的土木建筑技術并吸收了波斯、小亞一帶文化成就，形成了獨特的體系，解決了在方形平面上使用穹頂的結構和建筑形式問題，把穹頂支承在獨立的柱上，取得開敞的內部空間，如圣索菲亞教堂(532至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世紀在比利牛斯半島上的阿拉伯建筑，運用馬蹄形、火焰式、尖拱等拱券結構。科爾多瓦大禮拜寺(785至987年)，即是用兩層疊起的馬蹄券(如圖1-7所示)。

圖1-7科爾多瓦大禮拜寺

中世紀西歐各國的建筑，意大利仍繼承羅馬的風格，以比薩大教堂建筑群(11至13世紀)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構體系。哥特式建筑采用骨架券為拱頂的承重構件，飛券扶壁抵擋拱腳的側推力，并使用二圓心尖券和尖拱。巴黎圣母院(1163至1271年)的圣母教堂是早期哥特式教堂建筑的代表(如圖1-8所示)。

圖1-8巴黎圣母院的圣母教堂

15至16世紀，標志意大利文藝復興建筑開始的佛羅倫薩教堂穹頂(1420至1470年)，是世界最大的穹頂，在結構和施工技術上均達到很高的水平。集中了16世紀意大利建筑、結構和施工最高成就的則是羅馬圣彼得大教堂(1506至1626年)。

意大利文藝復興時期的土木建筑工程內容廣泛，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)是意大利文藝復興期最重要的理論著作，體系完備，影響很大；施工技術和工具都有很大進步，工具除已有打樁機外，還有桅式和塔式起重設備以及其他新的工具。

這一時期道路橋梁工程也有很多重大成就。秦朝在統(tǒng)一中國的過程中，運用各地不同的建設經驗，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。比中國的秦馳道早些，在歐洲，羅馬建設了以羅馬城為中心，包括有29條輻射主干道和322條聯(lián)絡干道，總長達78000公里的羅馬大道網。漢代的道路約達30萬里以上，為了越過高峻的山巒，修建了褒斜道、子午道，恢復了金牛道等許多著名棧道，所謂“棧道千里，通于蜀漢”。

道路在通過河流時需要架橋渡河，當時橋的構造已有許多種形式。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(如圖1-9所示)。

圖1-9趙州橋

這一時期水利工程也有新的成就。公元前3世紀，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至公元前2世紀之間，古羅馬采用券拱技術筑成隧道、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世紀建)，有268.8米長的一段是架在3層疊合的連續(xù)券上(如圖1-10所示)。公元7世紀初，中國隋代開鑿了世界歷史上最長的大運河，共長2500公里，13世紀元代興建大都(今北京)，科學家郭守敬進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杭州的南北大運河。

圖1-10尼姆城的加爾河谷輸水道橋

大量的工程實踐促進人們認識的深化，積累了寶貴的工程經驗，編寫出了許多優(yōu)秀的土木工程著作，出現了眾多的優(yōu)秀工匠和技術人才，如中國宋喻皓著《木經》、李誡著《營造法式》，以及意大利文藝復興時期阿爾貝蒂著《論建筑》等。歐洲于12世紀以后興起的哥特式建筑結構，到中世紀后期已經有了初步的理論，其計算方法也有專門的記錄。

1.2.2近代土木工程

從17世紀中葉到20世紀中葉的300年間，是土木工程發(fā)展史中迅猛前進的階段。這個時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，直至早期的預應力混凝土；在理論方面，理論力學、材料力學、結構力學、土力學等學科逐步形成，設計理論的發(fā)展保證了工程結構的安全和人力物力的節(jié)約；在施工方面，由于不斷出現新的工藝和新的機械，使得施工技術進步，建造規(guī)模擴大，建造速度加快。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施，有些工程不僅能夠在地面，而且還能在地下或水域內修建。

土木工程在這一時期的發(fā)展可分為奠基時期、進步時期和成熟時期三個階段。

1．奠基時期

盡管同土木工程有關的基礎理論已經出現，但就建筑物的材料和工藝看，仍屬于古代的范疇，如中國的雍和宮、法國的羅浮宮、印度的泰姬陵(如圖1-11所示)、俄國的冬宮等。土木工程實踐的近代化，還有待于產業(yè)革命的推動。

圖1-11泰姬陵

2．進步時期

土木工程的新材料、新工藝相繼問世。1824年，英國人J.阿斯普丁取得了一種新型水硬性膠結材料——波特蘭水泥的專利權，1850年左右開始生產。1856年大規(guī)模煉鋼方法——貝塞麥轉爐煉鋼法發(fā)明后，鋼材越來越多地應用于土木工程。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公司大廈，共9層，首次按框架設計，并采用鋼梁，被認為是現代高層建筑的開端。1889年，法國巴黎建成高300米的埃菲爾鐵塔，使用熟鐵近8000噸(如圖1-12所示)。圖1-12法國埃菲爾鐵塔

3．成熟時期

第一次世界大戰(zhàn)以后，近代土木工程發(fā)展到成熟階段。這個時期的一個標志是橋梁、道路、房屋大規(guī)模建設的出現。

在公路交通方面，由于汽車在陸路交通中具有快速和機動靈活的特點，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3860公里的高速公路網，美國和歐洲其他一些國家相繼效法。20世紀初，出現了飛機，飛機場工程迅速發(fā)展起來。鋼鐵質量的提高和產量的上升，使建造大跨橋梁成為現實。1918年，加拿大建成魁北克懸臂橋，跨度為548.6米；1937年，美國舊金山建成金門懸索橋(如圖1-13所示)，跨度為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，為雙鉸鋼拱結構，跨度為503米。圖1-13金門懸索橋

隨著工業(yè)的發(fā)展，城市化進程的推進，工業(yè)廠房向大跨度發(fā)展，民用建筑向高層發(fā)展。日益增多的電影院、攝影場、體育館、飛機庫等都要求采用大跨度結構。1925—1933年在法國、蘇聯(lián)和美國分別建成了跨度達60米的圓殼、扁殼和圓形懸索屋蓋。中世紀的石砌拱終于被近代的殼體結構和懸索結構所取代。1931年美國紐約的帝國大廈落成，共102層，高378米，有效面積16萬米，結構用鋼約5萬余噸，內裝電梯67部，還有各種復雜的管網系統(tǒng)，可謂集當時技術成就之大成，它保持世界房屋高度最高紀錄達40年之久(如圖1-14所示)。

圖1-14帝國大廈

1929年建成的中山陵(如圖1-15所示)和1931年建成的廣州中山紀念堂(跨度30米)為中國近代建筑代表。1934年在上海建成了鋼結構的24層的國際飯店，21層的百老匯大廈

(今上海大廈)和鋼筋混凝土結構的12層的大新公司。到1936年，已有近代公路11萬公里。中國工程師自己修建了浙贛鐵路，粵漢鐵路的株洲至韶關段以及隴海鐵路西段等。1937年建成了公路鐵路兩用鋼桁架的錢塘江橋，長1453米，采用沉箱基礎。1912年成立中華工程師會，詹天佑為首任會長，30年代成立中國土木工程師學會。到1949年土木工程高等教育基本形成了完整的體系。中國已擁有一支龐大的近代土木工程技術力量。圖1-15中山陵

1.2.3現代土木工程

現代土木工程以社會生產力的現代發(fā)展為動力，以現代科學技術為背景，以現代工程材料為基礎，以現代工藝與機具為手段高速度地向前發(fā)展。

第二次世界大戰(zhàn)結束后，社會生產力出現了新的飛躍?，F代科學技術突飛猛進，土木工程進入一個新時代。在近40年中，前20年土木工程的特點是進一步大規(guī)模工業(yè)化，而后20年的特點則是現代科學技術對土木工程的進一步滲透。

從世界范圍來看，現代土木工程為了適應社會經濟發(fā)展的需求，具有以下一些特征。

1．工程功能化

現代土木工程的特征之一，是工程設施同它的使用功能或生產工藝更緊密地結合。復雜的現代生產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。

2．城市立體化

隨著經濟的發(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。

高層建筑成了現代化城市的象征。1974年芝加哥建成高達433米的西爾斯大廈，超過1931年建造的紐約帝國大廈的高度?，F代高層建筑由于設計理論的進步和材料的改進，出現了新的結構體系，如筒體、筒中筒、束筒結構等。2010年建成哈利法塔為束筒結構(原名迪拜塔，又稱迪拜大廈或比斯迪拜塔，如圖1-16所示)，總高達828?m，為當前世界第一高樓與人工構造物，造價達15億美元。2009年建成廣州塔，塔高達600米為中國第一高塔(如圖1-17所示)，世界第三高塔。高層建筑的設計和施工是對現代土木工程成就的一個總檢閱。

圖1-16迪拜哈利法塔圖1-17廣州塔

城市道路和鐵路很多已采用高架，同時又向地層深處發(fā)展。地鐵在近幾十年得到進一步發(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(如圖1-18所示)。目前地鐵已基本覆蓋我國省會城市，并成為城市交通重要組成部分。地下城市空間開發(fā)利用有著十分廣泛的發(fā)展，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、供燃氣的管道，構成城市的脈絡?，F代城市建設已經成為一個立體的、有機的系統(tǒng)，對土木工程各個分支以及它們之間的協(xié)作提出了更高的要求。

圖1-18北京建國門車站站臺

3．交通高速化

現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，但在世界各地較大規(guī)模的修建，是在第二次世界大戰(zhàn)之后的事。1983年，世界高速公路已達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，已成為衡量一個國家現代化程度的標志之一。

在現代土木工程出現上述特征的情況下，構成土木工程的三個要素(材料、施工和理論)也出現了新的趨勢。

4．材料輕質高強化

現代土木工程的材料進一步輕質化和高強化。工程用鋼的發(fā)展趨勢是采用低合金鋼。中國從20世紀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構性能。高強鋼絲、鋼絞線和粗鋼筋的大量生產，使預應力混凝土結構在橋梁、房屋等工程中得以推廣。

高強鋼材與高強混凝土的結合使預應力結構得到較大的發(fā)展，在橋梁、建筑工程中廣泛應用預應力混凝土結構。鋁合金、鍍膜玻璃、石膏板、建筑塑料、玻璃鋼等工程材料發(fā)展迅速。新材料的出現與傳統(tǒng)材料的改進是以現代科學技術的進步為背景的。

5．施工過程工業(yè)化

大規(guī)?，F代化建設使建筑標準化達到了很高的程度。人們力求推行工業(yè)化生產方式，在工廠中成批地生產房屋、橋梁的種種構配件、組合體等。預制裝配化的潮流在20世紀50年代后席卷了以建筑工程為代表的許多土木工程領域。這種標準化在中國社會主義建設中起了積極作用。中國建設規(guī)模在絕對數字上是巨大的，30年來城市工業(yè)與民用建筑面積達23億多平方米，其中住宅約10億平方米，若不廣泛推行標準化，這些建筑工程是難以完成的。裝配化不僅對房屋重要，也在中國橋梁建設中引出裝配式輕型拱橋，從20世紀60年代開始采用與推廣，對解決農村交通起了一定作用。

現代技術使許多復雜的工程成為可能，例如，中國鐵路有80%的線路穿越山嶺地帶，橋隧相連，成昆鐵路橋隧總長占40%，日本山陽線新大阪至博多段的隧道占50%，前蘇聯(lián)在靠近北極圈的寒冷地帶建造第二條西伯利亞大鐵路；中國的川藏、青藏公路直通世界屋脊。青藏鐵路是實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的標志性工程，攻克了多年凍土冬天凍脹夏天融沉的工程難題(如圖1-19所示)。由于采用了現代化的技術，施工速度加快，精度也提高。土石方工程中廣泛采用定向爆破，解決了大量土石方的施工。

圖1-19青藏鐵路

6．理論研究精密化

現代科學信息傳遞速度大大加快，一些新理論與方法，如計算力學、結構動力學、動態(tài)規(guī)劃法、網絡理論、隨機過程論、濾波理論等的成果，隨著計算機的普及而滲進了土木工程領域。結構動力學已發(fā)展完備。荷載不再是靜止的和確定性的，而將被作為隨時間變化的隨機過程來處理。美國和日本使用由計算機控制的強震儀臺網系統(tǒng)，提供了大量原始地震記錄。日趨完備的反應譜方法和直接動力法在工程抗震中發(fā)揮很大作用?？拐鹄碚?、測震、震動臺模擬試驗以及結構抗震技術等方面有了很大發(fā)展。

隨著現代化進程的發(fā)展，大跨度建筑的形式呈現多樣化，薄殼、懸索、網架、網殼、充氣和混合結構，滿足各種大型社會公共活動的需要。1959年，巴黎建成多波雙曲薄殼的跨度達210?m；1976年，美國新奧爾良建成的網殼穹頂直徑為207.3?m；1975年，美國密歇根龐蒂亞克體育館充氣塑料薄膜覆蓋面積達?35?000?m2，可容納觀眾?8?萬人。中國也建成了許多大空間結構，如上海體育館圓形網架直徑?110?m，北京工人體育館懸索屋面凈跨為94?m。大跨建筑的設計也是理論水平的一個標志。

2008?年建成的北京奧運會主體育館“鳥巢”可容納觀眾9萬人，采用Q460高強鋼材，結構主要由巨大的門式鋼架組成，大跨度屋蓋支撐在24根桁架柱上(如圖1-20所示)。2008年建成的國家游泳中心又被稱為水立方，它是根據細胞排列形式和肥皂泡天然結構設計而成的，它的膜結構是世界之最。

圖1-20國家體育場——鳥巢

從材料特性、結構分析、結構抗力計算到極限狀態(tài)理論，在土木工程各個分支中都得到充分發(fā)展。20世紀50年代，美國、前蘇聯(lián)開始將可靠性理論引入土木工程領域。土木工程的可靠性理論建立在作用效應和結構抗力的概率分析基礎上。工程地質、土力學和巖體力學的發(fā)展為研究地基、基礎和開拓地下、水下工程創(chuàng)造了條件。計算機不僅用以輔助設計，更作為優(yōu)化手段；不但運用于結構分析，而且擴展到建筑、規(guī)劃領域。理論研究的日益深入，使現代土木工程取得質的進展，并使工程實踐更離不開理論指導。

1.2.4土木工程的發(fā)展趨勢

1．向高性能材料的發(fā)展

隨著高層、超高層建筑以及大跨度結構的興建，土木工程對材料的強度要求越來越高，同時又希望減輕結構自重。鋼材將朝著高強，具有良好的塑性、韌性和可焊性方向發(fā)展。日本、美國、俄羅斯等國家已經把屈服點為700?N/mm2以上的鋼材列入了規(guī)范。高性能混凝土及其他復合材料也將向著輕質、高強、良好的韌性和工作性方面發(fā)展。

目前的化學合成材料主要用于門窗、管材、裝飾材料，今后的發(fā)展是向大面積圍護材料及結構骨架材料發(fā)展。目前碳纖維以其輕質、高強、耐腐蝕等優(yōu)點而用于結構補強，在其成本降低后可望用作混凝土的加筋材料。國外已經采用碳纖維鋼筋網和碳纖維絞線，這項技術國內亦在研究中。

2．向高空、地下、海洋、荒漠、太空開拓

(1)向高空延伸。為了解決城市土地供求矛盾，城市建設將向高、深方向發(fā)展。

(2)向地下發(fā)展。1991年在日本東京召開的地下空間利用國際會議通過了《東方宣言》，提出“21世紀是人類開發(fā)利用空間的世紀”，建造地下建筑將有效改善城市擁擠、節(jié)能和減少噪聲污染等。

(3)向海洋拓展。為了防止機場噪聲對城市居民的影響，也為了節(jié)約使用陸地，許多機場已開始填海造地。

(4)向荒漠進軍。全世界約有1/3陸地是沙漠和荒漠，每年約有600萬公頃的耕地被侵蝕，這將影響上億人口的生活。若能有效地控制和治理，將極大地緩解人口壓力。為爭取可利用土地，對沙漠的改造在未來將不可忽視。

(5)向太空邁進。向太空邁進是人類長期的夢想，地球資源有限，而且由于近些年來的開發(fā)，許多重要資源(如石油)的儲量急劇減少，人類不得不開始考慮前往太空尋找資源。

3．信息和智能化技術全面引入

信息、計算機、智能化技術在工業(yè)、農業(yè)、運輸業(yè)和軍事工業(yè)等各行各業(yè)中得到了愈來愈廣泛的應用，土木工程也不例外，將這些高新技術應用于土木工程將是今后相當長時間內的重要發(fā)展方向。

(1)信息化、智能化施工。所謂信息化施工，是指在施工過程中所涉及的各部分各階段廣泛應用計算機信息技術，對工期、人力、材料、機械、資金、進度等信息進行收集、存儲、處理和交流，并加以科學地綜合利用，為施工管理及時準確地提供決策依據。

(2)智能化建筑。智能化建筑還沒有確切的定義，但有兩個方面的要求應予滿足。一是房屋設備應用先進的計算機系統(tǒng)監(jiān)測與控制，并可通過自動優(yōu)化或人工干預來保證設備運行的安全、可靠、高效。

(3)智能化交通。智能化交通，在歐美已于20世紀90年代開始研究，中國也在迎頭趕上。智能化交通一般包括以下幾個系統(tǒng)：先進的交通管理系統(tǒng)；交通信息服務系統(tǒng)；車輛控制系統(tǒng)；車輛調度系統(tǒng)；公共交通系統(tǒng)等。智能化交通應具有信息收集、快速處理、優(yōu)化決策、大型可視化系統(tǒng)等功能。

4．土木工程的可持續(xù)發(fā)展

在三種廣泛存在的、相互聯(lián)系的關系——人口快速增加、城市化進程加快、對自然資源的需要日益上升超出了供應的能力出現后，人們才認識到可持續(xù)性發(fā)展的必要性。20世紀80年代提出了“可持續(xù)發(fā)展”的原則，已被廣大國家和人民所認同。“可持續(xù)發(fā)展”是指，既滿足當代人的需要，又不對后代人滿足其需要的發(fā)展構成危害。這一原則具有遠見卓識，我國已將“可