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1、第一讲 土木工程的历史、现状与未来,第一讲:土木工程的历史、现状和未来,土木工程的定义古代的土木工程近代的土木工程现代的土木工程土木工程的未来,1.1土木工程定义,土木工程是指采用工程材料，如土、石、砖、木、混凝土、塑料和各种金属等材料，修建房屋、道路、铁路、桥涵、隧洞、河流、港口、特种工程和市政卫生工程等的生产活动和工程技术。这种生产活动和工程技术包括对上述各类工程的勘测、设计、施工、维修等活动以及它们所需要的相应工程技术.,土木工程是一种与人们的衣、食、住、行有着密切关系的工程。其中与“住”的关系是直接的。“住”-建筑物。“行、食、衣”-既有直接的一面，也有间接的一面。“行”，必须建造铁路
2、、道路、桥梁；“食”，必须打井取水、兴修水利、进行农田灌溉、城市排水供水等，这是直接关系。间接关系-制造汽车、轮船、纺纱、织布、制衣，乃至生产钢铁、发射人造卫星、开展科学研究活动都离不开建造各类建筑物、构筑物和修建各种工程设施。土木工程具有民用性。各个单位都有基建处。,任何一项土木工程都不可避免地受到自然界和人为的作用，如地心吸力（即重力）、风、地震、温度变化、爆炸等。因此，各类土木工程都必须具备抵御上述各种作用的能力。土木工程人员的主要任务就是如何使各类土木工程具备抵御上述各种作用的能力。,土木工程-Civil Engineering，直译为“民用工程”。与“军事工程”（Military E
3、ngineering)相对应 在英语中，历史上，土木工程、机械工程、电气工程、化工工程都属于Civil Engineering，因为它们都具有民用性。后来来，随着工程科学技术的发展，机械、电气、化工都已形成独立的学科，Civil Engineering就成为土木工程的专门名词，至今，在英语中，Civil Engineering还包括水利、港口工程；而在我国，水利工程和港口工程也已成为与土木工程十分密切的相对独立的分支。,古代土木工程大致从新石器时代(约公元前5000年起)开始到十七世纪中叶。古代有代表性的工程有:,1.2 古代土木工程,长城,长城是我国古代劳动人民勤劳和智慧的结晶，代表了我国灿
4、烂的古代文明。至今仍是闻名世界的旅游胜地。但是由于日益增多的旅客使得长城的保护成为越来越严重的问题,巴黎圣母院,巴黎圣母院建于公元1163年至1250年，是西欧代表性的教堂建筑，采用了砖石拱圈结构。巴黎圣母院是一座宗教与世俗生活相混合的建筑，因为在中世纪的欧洲，宗教已发展到了鼎盛的时期，人们被一种浓郁的宗教气氛所笼罩，迫切希望与神接近。巴黎圣母院就建于这样的历史时期。,埃及的金字塔,埃及的金字塔建于公元前2700至前2600年。其中以胡夫金字塔为最大。埃及的金字塔是神权和王权的结合。它和我国的万里长城、印度尼西亚的婆罗浮屠、柬埔寨的吴哥古迹并称为东方的四大奇迹.,故宫,故宫是明清两朝皇帝的宫殿
5、，也是北京城中最宏伟的建筑群。它起建于明永乐五年，明成祖完成这一宏伟的工程，连续干了14年。故宫建筑群是我国古代建筑的代表作，也是古代建筑中最伟大，最完整的精品。从这个建筑群中可以看出中国古代建筑中的许多表现手法和特点。,都江堰,约公元前256-前251年(战国时期)始建于秦末年的四川都江堰大型引水枢纽，是历史上最大的无坝引水工程。此工程以灌溉为主，兼有防洪、水运、供水等多种效益，一直沿用至今。其规模之大，规划之周密，技术之合理，均为前所未有。,布达拉宫建在西藏自治区首府拉萨市西部的布达拉山上，布达拉宫是一座政治和宗教合一的建筑。它建于公元7世纪。达赖五世先后花了50年的时间重建这座宫殿，也是
6、我们现在看到的布达拉宫。布达拉宫是一座色彩对比十分强烈的建筑。在高原凛冽、清新的空气和蓝天的衬托下，确实有一种令人震撼的力量。这使得布达拉宫在建筑艺术上成为世界屋脊的奇宝。,布达拉宫侧面,布达拉宫正面,布达拉宫,赵州桥,公元590-608年间建造在河北省洨河上保存至今的隋代敞肩式单孔圆弧弓形石拱桥。桥全长50.82米，桥面宽约10米，跨度37.02米，采用28条并列的石条砌成拱圈形成。拱圈矢高7.32米。拱上设有四个小拱，既能减轻桥身自重，又便于排洪，且更显美观。该桥无论在材料使用、结构受力、艺术造型和经济上都达到极高成就，是世界上最早的敞肩式拱桥，早于欧洲同类桥约1000年.,山西应县木塔,
7、山西应县木塔公元1056年建成的山西应县木塔(佛宫寺释迦塔)，塔高67.3米，八角形，底层直径30.27米。该塔共九层，其中八层是用3米左右长的木柱支顶重叠而成，为一内外两环柱网，用交圈的扶壁拱组成的双层套筒式结构：是保存至今的唯一木塔，也是我国现存的最高的木结构之一。它经历多次大地震仍完整无损，足以证明我国历史上木结构的辉煌成就。,吴哥古迹包括吴哥城和吴哥寺，共有大小建筑600多座，散落在方圆45平方公里的丛林中。这是公元15世纪时高棉王国的都城。庄严典雅的古代建筑，石刻，浮雕，记录着高棉人祖先的文明和智慧。现存的吴哥古迹中已看不到宫殿和房屋，只有石造的庙宇，寺庙，宝塔，所以吴哥古迹带有浓厚
8、的文明和智慧.,外国古建筑,巴比伦古城遗址位于今伊拉克首都巴格达以南约90公里处，幼发拉底河右岸，是世界著名古城遗址和人类文明的发祥地之一。巴比伦意为“神之门”。巴比伦古城最早为一个小村，经过五六个世纪的发展，逐渐兴旺，公元前4世纪末城渐衰，至公元2世纪沦为废墟。现古城遗址为新巴比伦王国尼布甲尼撒二世在位时期的巴比伦城，规模极其宏伟壮观。,凡尔赛宫座落在巴黎西南18公里的凡尔塞镇，是人类建筑艺术宝库中的一颗璀璨的明珠。凡尔赛宫建于路易十四时期，1661年动工，1689年全部竣工，至今已有300多年的历史。当初是供王室居住的，如今为博物馆。凡尔赛宫的外表给人以宏伟，壮观的感觉，它的内部设计和装潢
9、更富于艺术魅力。,1.3 近代土木工程,-17世纪中叶至20世纪中叶的300年间.,近代土木工程的主要特征 近代土木工程几件具有重大意义的事情,1.3.1 近代土木工程的主要特征,有力学和结构理论作指导；砖、瓦、木、石等建筑材料得到日益广泛的使用；混凝土、钢材、钢筋混凝土以及早期的预应力混凝土得到发展；施工技术进步很大，建造规模日益扩大，建造速度大大加快。,1.3.2 近代土木工程几件具有重大意义的事情,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。英国科学家牛顿在1687年总结了力学三大定律，它们是土木
10、工程设计理论的基础。,瑞士数学家欧拉1744年出版的曲线的变分法建立了柱的压屈理论，得到计算柱的临界受压力的公式，为分析土木工程结构物的稳定问题奠定了基础。1825年纳维建立了土木工程中结构设计的容许应力法；19世纪末里特尔等人提出极限平衡的概念。他们都为土木工程结构理论分析打下了基础。,1824年英国人阿斯普丁取得了波特兰水泥的专利权，1850年开始生产。这是形成混凝土的主要材料，使得混凝土在土木工程中得到广泛应用。后来，在20世纪初，有人发表了水灰比等学说，才初步奠定了混凝土强度的理论基础。,1859年发明了贝赛麦转炉炼钢法，使得钢材得以大量生产，并能越来越多的应用于土木工程。1867年法
11、国人莫尼埃用钢丝加固混凝土制成花盆，并把这种方法推广到工程，建造了一座蓄水池，这是应用钢筋混凝土的开端。1875年，他主持建造了第一座长16米的钢筋混凝土桥。,1883年美国在芝加哥建造的11层保险公司大楼，是世界上最先用铁框架（部分钢梁）承受全部大楼里的重力，外墙仅为自承重墙的高层建筑。1889年法国在巴黎建成的高300米的埃菲尔铁塔，使用钢约8000吨，它是近代钢高层建筑结构的萌芽。,近代土木工程几件具有重大意义的事情,1886年美国人杰克逊首先应用预应力混凝土制作建筑配件，后又用它制作楼板。1930年法国工程师弗涅希内将高强度钢丝用于预应力混凝土，克服了因混凝土徐变造成所施加的预应力完全
12、丧失的问题。于是，预应力混凝土在土木工程中得到广泛应用。,如：1825年英国人斯蒂芬森在英格兰北部斯多克斯和达林顿之间修筑了世界第一条长21公路的铁路；接着，1863年，英国又在伦敦建成了世界第一条地下铁路。1779年英国用铸铁建成跨度为30.5米的拱桥；1826年英国用锻铁建成第一座跨度为177米悬索桥；1890年英国又建成两孔主跨达521米的悬臂式桁架桥。这样，现代桥梁的三种基本形式（梁式桥、拱桥、悬索桥）相继出现。1931-1942年，德国率先修筑了长达3860公里的高速公路网。,土木工程在铁路、公路、桥梁建设中得到大规模发展。,1906年美国旧金山大地震，1923年日本关东大地震，这些
13、自然灾害推动了结构动力学和工程抗震技术的发展。,1.4 现代土木工程,现代土木工程的特征功能要求多样化城市建设立体化交通工程快速化工程设施大型化,-20世纪中叶第二次世界大战结束后至今的土木工程,现代土木工程的发展趋势 建筑材料的轻质、高强化 施工过程的工业、装配化 设计理论的精确、科学化,土木工程功能化,土木工程日益同它的使用功能或生产工艺紧密结合。公共和住宅建筑物要求建筑、结构、给水排水、采暖、通风、供燃气、供电等现代技术设备结合成整体。工业建筑物往往要求恒温、恒湿、防微振、防腐蚀、防辐射、防火、防爆、防磁、防尘、防高（低）温、耐高（低）湿，并向大跨度、超重型、灵活空间方向发展。,发展高技
14、术和新技术对土木工程提出高标准要求-发展核工业需要建造安全度极高的核反应堆和核电站-研究微观世界需要建造技术要求极高的加速度工程；-发展海洋采、炼、贮油事业要求建造多功能的海洋工程 如海上钻井平台、海上炼油厂、海底油库,城市建设立体化的三个趋势,高层建筑的大量兴起 地下工程的高速发展 城市高架公路、立交桥大量出现,高层建筑的大量兴起,由于不少国家城市人口大量聚集，密度猛增，造成城市用房紧张、地价昂贵，因此就迫使建筑物向空中发展，不少国家的高层建筑物几乎占整个城市建筑面积的30-40%。美国的高层建筑数量最多，高度在160-200米的建筑就有100多栋。近十年来，中国、马来西亚、新加坡、韩国的高
15、层建筑有了很大的发展。目前，世界最高的建筑为828米的迪拜塔，中国最高的是台湾的101大厦。,1、第一名：哈利法迪拜塔地点：阿联酋迪拜，高度：828.14米用途：写字楼，住宅，酒店,2、广州小蛮腰电视塔-塔身主体高450米，天线桅杆150米，总高度600米,3、台北101大厦-共101层，楼高509米，用途：写字楼,4、上海环球金融中心地点：上海，高度：492米，用途：酒店，写字楼,5、香港环球贸易广场 高度：484米，用途：酒店，写字楼,6、马来西亚吉隆坡双子塔（452米）1996年建成用途：写字楼,地下工程,地下工程的高速发展：如地下铁路、地下商场、地下停车场、地下体育馆、地下影剧院、地下
16、工业厂房、地下仓库等，在有些城市已形成规模宏大的地下建筑群.,伦敦地铁站,巴黎下水道博物馆,高架公路、立交桥,城市高架公路、立交桥大量出现：如我国首都北京从1974年开始建造第一座全互通式立交桥起，至2011年底共建成各种形式和不同类型的道路立交桥360多座。,广州四层高架路,交通工程高快速化,高速公路的大规模修建 电气化铁路形成和发展 长距离海底隧道的出现,高速公路,高速公路的大规模修建：目前全世界已有80多个国家和地区拥有高速公路，通车总里程超过了23万公里。其中有近30多个国家和地区拥有1000公里以上，,第一名是美国，美国于1937年开始修筑宾夕法尼亚州收税高速公路，长257公里。目前
17、，美国拥有约10万公里高速公路，居世界第一。第二名是中国，截至2011年底我国高速公路总里程达8.5万公里。中国台湾于1978年底建成基隆至高雄的中山高速公路长373公里。1988年10月31日，上海至嘉定18.5公里高速公路建成通车，使中国大陆有了高速公路。此后，我国高速公路建设突飞猛进：2004年8月底突破了3万公里，比世界第三的加拿大多出近一倍。沈大高速是内地第一条自己建设的高速公路，也是中国内地第一条八车道高速公路，全长348公里，1990年完工时为全部四车道，全立交，全互通。2002年开始拓宽改造，于2004年改造完毕，为八车道高速公路，设计时速120公里。,高速公路建设,北京的公路
18、建设,高速公路,铁路电气化,铁路电气化的形成和大量发展：1964年10月世界铁路运营史上第一块高速金牌在日本东京至大阪的“新干线”上诞生，它的行车时速达310公里，为普通铁路的三倍。1983年建成的法国巴黎到里昂的高速铁路运行时速高达270公里，把高速铁路的发展推向新阶段。京沪高铁486.1公里，磁悬浮列车1000公里以上,长距离海底隧道,长距离海底隧道的出现：如日本越过津轻海峡连接本川与北海道的青函海底铁路隧道长达53.85公里，是世界上最长的海底铁路隧道，它的埋深为140米。1990年贯通的英法海峡隧道长50.5公里，它的最浅处埋深45米，海水深度60米。我国1970年建成通车的第一条水底
19、隧道(上海黄埔江隧道)全长2.76公里。,英法海底隧道,工程设施大型化,1998年建成的连接日本的本州与四国岛的明石峡大桥，主跨1991m，是目前世界上跨度最大的悬索桥。丹麦的大贝尔特东桥，跨度1642m,居世界第二。第三跨度为英国的恒伯尔桥，主跨1410m,1999年中国建成的江阴长江大桥，主跨1385m,1997年香港建成的青马大桥主跨1377m,分别居世界第四、第五位。,1997年，在四川万县建成的跨长江的混凝土拱桥，拱跨420m,居世界第一。在钢拱桥方面，悉尼港湾桥跨度503m,是悉尼的标志性建筑之一。美国的奇尔文科钢拱桥跨度503.6m,列世界第一。1993年，在上海建成的杨浦斜拉桥
20、，主跨602m,当时居世界第一，现在最大跨度的斜拉桥为法国诺曼底桥，跨度达856m。,工程设施大型化,20世界中叶以来，由于设计理论和施工技术的提高，水利工程建筑速度加快,规模增大，200米以上的高坝不断出现。最高的重力坝是瑞士的大狄克逊坝，坝高285米；最高的拱坝是前苏联于1981年建成的英古里坝，坝高为271.5米；最高的土石坝是塔吉克共和国的罗贡坝，坝高325米。我国建国以来对水利工程的建设非常重视，经过50多年的努力，已取得辉煌的成绩，兴建了86000多座水库，是世界上水库最多的国家之一；,工程设施大型化,工程设施大型化,已建成的高重力坝有刘家峡实体重力坝，高147米；乌江渡拱形重力坝
21、，高165米；已建成的拱坝有青海龙羊峡拱坝，坝高178米；湖北省清江隔河岩拱坝，坝高151；已建成的高土石坝为陕西省石头河坝，坝高105米。,值得一提的是我国实行改革开放以后，国民经济发展很快，综合国力有了很大提高，已具备更大规模开发和利用水资源的条件，如正在兴建的三峡水利枢纽；正在研究的南水北调工程等都是世界一流的大型水利工程。,建筑材料的轻质、高强化,其中尤其发展迅速的是普通混凝土向轻骨料混凝土、加气混凝土和高性能混凝土方向发展，使混凝土的容量由24.0KN/M3降至6.0-10.0KN/M3,抗压强度从20-40N/MM2提高到60-100N/MM2。其它结构性能也得到很大改善。此外，钢
22、材也向低合金、高强度方向发展；一批轻质高强度材料，如铝合金、建筑塑料、玻璃钢也得到迅速发展。,施工过程的工业、装配化,在工厂里成批生产房屋、桥梁的各种构配件、组合体，再将它们运到建设场地进行拼装此外，各种先进的施工手段，如大型吊装设备、混凝土自动搅拌输送设备、现场预制模板、土石方工程中的定向爆破也得到很大发展。,设计理论的精确、科学化,它表现为理论分析由线性分析到非线性分析，由平面分析到空间分析，由单个分析到系统的综合整体分析，由静态分析到动态分析，由经验定值分析到随机分析乃至随机过程分析，由数值分析到模拟试验分析，由人工手算、人工做方案比较、人工制图到计算机辅助设计、计算机优化设计、计算机制
23、图。,此外，土木工程各理论，如可靠度理论、土力学和岩体力学理论、结构抗震理论、动态规划理论、网络理论等也得到迅速发展。,1.5 土木工程的未来未来房屋海上城市月球工厂太空新居,1.5.1 未来房屋,未来的房屋将再也找不到砖、瓦等古老的材料，而是用各种各样的塑料、玻璃、轻金属以及许多新型轻金属材料建造的。盖房子将是一件十分简单的事情，因为建筑材料大都是预制的，用机器人盖房子就象小孩子搭积木一样。,另外，一些惊人的革新成果是：打不碎并不沾尘的玻璃；根据温度差改变色彩的墙壁；接通室外拉圾箱的中央吸尘装置；具有通气性能的微孔地面，可自动开启便于采光通风的屋顶等,日本拟建设的(可容纳100万人),未来房
24、屋,1.5.2 海上城市,十多年前，国际海洋博览会在日本冲绳开幕，中心会场不是设在内陆，而是设在一座漂浮在海面上的大型海洋建筑物内。目前，美国拟在离夏威夷群岛不远的太平洋上修建一座海上城市，它将建在高70米，直径27米的钢筋混凝土“浮船”上。这座海上城市竣工以后，将有10万居民乔迁“新居”,一些发达国家的建筑学家和海洋专家，正在制定很多宏伟、新奇的海上城市规划。有人预计，到二十一世纪中叶，世界人口将有1/10住在海上建筑物中。,1.5.3 月球工厂,美国航天局制定了一系列的太空开发计划，其中一项是在月球建立一个可住人的永久性基地，并打算于二十一世纪中期实现。到2010年，月球基地初步建成之后，除了设有宇航员的的工作和实验舱之外，还计划建立水泥厂和冶炼厂。地质学家将会坐着火箭到月球上去上班。,1.5.4 太空新居,近年提出的空间城市方案已有很多。其中比较成熟的是“轮状的空间城市”和“柱状的姐妹城市”“轮状的空间城市”，是最有希望的一种。城市每分钟绕自轴旋转一周，生活区产生与地面一致的离心力，城市内可容纳1万居民。“柱状姐妹空间城市”是一个更高级的、正在设想中的人造空间城市。这座城市可最多居住2千万人口，约需要几百万吨建筑材料，估计到本世纪有希望建成。,斯坦福太空城,
