土木工程

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  土木工程汉语拼音:Tumu Gongcheng;英语:Civil Engineering),建造各类工程设施的科学技术的统称。既包括所应用的材料、设备、机具和所进行的规划、可行性研究、勘测、设计、施工、管理维修等技术活动;也指工程建设的对象,即建造在地上、地下或水中,直接或间接为人类生活、生产、军事和科学研究等服务的各种工程设施,如房屋、道路、铁路、管道、桥梁、隧道、运河、堤坝、港口、电站、飞机场、海洋平台、电视塔、给水和排水、集中供热和供燃气及防护工程等。土地、建筑材料、建筑设备和施工机具,是建造工程设施的物质基础。在这些物质基础上,经济而便捷建成既能满足人们使用要求和审美要求,又能安全承受各种荷载(包括工程的自重和使用荷载,风、水、温度、冰雪、地震及爆炸等作用)的工程设施,是土木工程学科的出发点和归宿。

  “土木”在中国是一个古老的名词,意指建筑房屋等的工事,如把大量建造房屋称作大兴土木。古代建房主要依靠泥土和木料,所以称土木工程。在国外土木工程一词是1750年设计建造艾德斯通灯塔的英国人J.斯米顿首先引用的,意即民用工程,以区别于当时的军事工程。至1828年,伦敦土木工程师学会的皇家特许状为土木工程下的定义为:“Civil Engineering是利用伟大的自然资源为人类造福的艺术……”,与中国土木工程的含义相近,故译作土木工程。事实上,土木工程为所有工程中发展最早、内容最广的工程学科,是人类改造、建设生活、生产环境的先行基本手段。它所建造的各种工程设施,满足了当时的生活和生产的需求,也反映了各个历史时期的社会、经济、文化和科学技术的面貌。

简史

  从新石器时代改善巢居穴处的条件开始,到17世纪中叶前,是土木工程从萌芽到发达的时期。随着古代文明的发展和社会进步,创造了无数伟大工程建设,成为灿烂古代文化的重要组成部分。但受到社会经济条件的限约,发展很不平衡。在中国,殷商西周之际已发展了独具风格的木结构和夯土技术。战国时期李冰父子修建的都江堰,是世界上最早的综合性大型水利工程。西周初期制造出瓦,战国时制造出砖(砖瓦的出现使土木工程技术得到飞速的发展,被称为土木工程的第一次飞跃),营建了规模宏大的阿房宫、未央宫。在地下墓室的修建中砖砌拱券的技术已很成熟,还建造了世界奇迹的军事防卫工程——长城。隋唐之际,开大运河、建赵州桥,也都位于当时世界土木工程技术的前列。建于辽代的佛宫寺释迦塔(应县木塔),标志着中国古代木结构技术达到出神入化的水平。正是在这些技术成就所提供的经验知识的基础上,北宋出现了总结性的著作《营造法式》。在世界,埃及人于公元前27~前26世纪创建了世界上最大的帝王陵墓建筑群——吉萨金字塔,计算准确,施工精细,规模宏大。罗马人在公元前4世纪用拱券技术砌筑下水道、隧道、渡槽。公元前2世纪,用火山灰和石灰的混合物制成的天然混凝土得到广泛应用,有力地推动了古罗马的拱券结构的大发展。如万神庙的圆形正殿屋顶,直径43.43米,是古代最大的圆顶庙。古罗马的公共建筑类型多,结构设计、施工水平高,已初步建立了土木建筑科学理论,如维特鲁威著《建筑十书》奠定了欧洲土木建筑科学的体系。并对欧洲土木建筑的发展有深远影响。

  从17世纪中叶到20世纪中叶的300年间,土木工程得到迅猛发展,脱离了经验阶段,形成了学科的理论体系。伽利略牛顿所阐述的力学原理是近代土木工程发展的起点。土木工程作为一门学科逐步建立起来,法国是它的前驱。1716年法国成立道桥部队,1720年成立交通工程队,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。18世纪下半叶,规模宏大的产业革命,为土木工程提供了性能优良的建筑材料和施工机具。1856年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,使土木工程有了第二次飞跃。19世纪20年代波特兰水泥制成后,混凝土的出现给建筑物带来了新的经济、美观的工程结构形式,使土木工程产生了新的施工技术和工程结构设计理论,是土木工程的第三次飞跃。中国由于封建制度的影响和清朝实行闭关锁国的政策,近代土木工程发展缓慢。1889年唐山设立水泥厂。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),可谓中国近代土木工程教育之始。1909年建成京张铁路,1912年成立中华工程师学会,1937年建成钱塘江桥,30年代成立中国土木工程师学会。到1949年土木工程高等教育形成了完整的体系,并培养了一支庞大的近代土木工程技术力量。

  第二次世界大战后的40多年间,现代科学技术突飞猛进,社会生产力出现了新的飞跃,土木工程进入一个新时代。前20多年土木工程的特点是进一步大规模工业化,后20多年的特点则是现代科学技术对土木工程的进一步渗透。规模极大的工程成为这一时期的代表,如西尔斯大厦(高443米,1974年;美国)、多伦多电视塔(高553米,1975年;加拿大)、亨伯桥(跨度1410米的悬索桥,1980年;英国)、青函海底隧道(长53.85千米,1988年;日本)、杨浦大桥(跨度602米的斜拉桥,1993年;中国)。这些工程适应了社会经济发展的需求,其特征是工程功能化、城市立体化、交通高速化,在这些特征的影响下 ,构成土木工程3要素的材料、施工和设计理论也出现了新趋势 :材料轻质高强化、施工过程工业化、理论研究精密化。

学科内容

  土木工程所建造的每一项工程设施,需要经过可行性研究、勘测、设计、施工和养护等阶段,运用工程勘察、工程力学、工程结构及其设计理论、地基基础、建筑材料及设备、工程机械、建筑经济等学科和施工技术、施工组织等领域的知识及电子计算机和实验测试技术才能完成,因而土木工程是一门范围广阔的综合性学科,并成为内涵广泛、门类众多、结构复杂的综合体系。中国将土木工程分为如下分支:房屋工程、铁路工程、道路工程、飞机场工程、桥梁工程、隧道及地下工程、特种工程结构、给排水工程、城市供热供燃气工程、交通工程、环境工程、港口工程、水利工程等学科。其中有些分支,如水利工程,由于自身工程的不断增多及专门科学技术的发展,业已从土木工程中分化出来成为独立的学科体系,但在很大程度上仍具有土木工程的共性。美国将土木工程概括为5个方面:建筑工程、交通运输工程、近海和水利工程、动力工程、公共卫生工程。

  这种学科内涵上的差异从学会的机构设置上也反映出来。中国土木工程学会设:桥梁及结构工程、隧道及地下工程、土力学和基础工程、混凝土及预应力混凝土、计算机应用等5个分科学会和港口工程、市政工程、给水排水、城市公共交通、城市煤气等5个专业委员会。美国土木工程师协会设:结构、工程力学、航空交通、施工、公路、水利、灌溉排水、管线、发电、测量地图、都市计划与发展、水路与港口等技术组。