土木工程中计算机技术的发展和应用

人类面临最重要的挑战是发展。现在世界正从工业社会向信息社会过渡，土木工程面临的新事物是：高新技术的高速发展和大规模结合；高速交通工具和通信技术的迅猛发展；新型信息经济（指新的生产过程的市场形式）的生产；生态环境已经遭受严重破坏，必须优先考虑它的平衡；人类生活、工作和分配方式将会发生重大变话。土木工程是最古老的工程技术之一，它的发展受到传统观念的影响很深，因而发展速度也较其它工程缓慢。面临上述新事物，土木工程工作者必须在材料、设计、建造的技术和管理方面以及怎样为人类生产生活需要服务的观念方面，有较大的变化，才能是适应全世界前进的步伐。展望未来，土木工程需要在以下几个方面大力发展。14.1建筑材料向高性能、多品种和组合利用方向发展传统材料纪要改善其性能，又要增加其品种。墙体材料传统的做法是用黏土砖，由于它与农业争地，上；所以要限制使用。于是，要大力发展多空砖、空心砖、混泥土砖、加气混泥土砌块和各类用地方材料如石块、火山灰制品、工业废料（如烟灰）制品、沥青土坯以及木竹加筋作品等。他们的发展方向是努力改善其传统性能，力求因地制宜地合理使用，如增加强度、增加延性、改进形状和模数尺寸、改进孔型、增加空洞率、减轻自重。此外，该进沙浆成分和性能也是发展趋势，如采用以矿渣作细骨的轻质沙浆，以掺聚合物拌和水泥形成的高站结砂浆等。混泥土材料传统的做法是采用C20～C40的普通混泥土，由于它尚存在强度和耐久性不够高、工作性、（也即流动性或和易性）与水灰比密切相关、抗裂性和脆性较大、抗渗性和抗蚀能力较弱、水化热偏高易产生裂缝等弱点，几十年来历经了许多重大变革：如20世纪30年代末美国发明引汽剂、减气剂等外加剂一提高混泥土的流动性；20世纪40年代德国首创聚合物混泥土（将聚氯乙烯掺入混泥土）以改善其脆性、提高其抗蚀能力；20世纪60年代美国发明浸渍混凝土（用甲基丙烯酸甲浸渍）可提高混凝土的耐久性、抗蚀性；1980年美国首先提出“水泥基复合材料“，突出了复化物的地位，现以成为水泥为基材的各种材料的总称，如轻质混凝土、加气混凝土、聚合物混凝土、树脂混凝土、浸渍混凝土、纤维混凝土以及根据性能要求发展的高强度混凝土、高流动性混凝土、耐热（火）混凝土、膨胀混凝土等。上世纪80，强度年代末90年代初出现了高性能混凝土（HighPerformance,HPC），它是在大幅提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，它对混凝土的耐久性、工作性、强度、适用性、体积稳定性、经济性有重点地予以保证。未来发展的方向应是绿色高性能混凝土、超高性能混凝土和自修复混凝土等新品种。前者用工业废渣（如水矿渣、优质粉煤灰）为主的细掺料代替大量水泥熟料，以减少环境污染，并以大量纤维增强来克服混凝土的脆性；后者常在混凝土中灌以树脂、掺入空心纤维，当混凝土开裂时能自动流出树脂封闭裂缝。现在，我国在建筑工程中的常用混凝土。可达到C80；桥梁工程中的轻质混凝土的容重可降至16～19KN/m3。强度为C30～C70;在实验室条件下，已能制成C100级的混凝土。而美国常用混凝土则可达C80～C135，特殊工程可用C400。金属材料钢材的发展也是采用低合金、热处理的方法以提高其屈服点（包括防锈和防火）性能。传统的做法是采用普通碳素钢的Q235钢（屈服点fy不低于235Mpa），20世纪60年代同时采用低合金16Mn钢和16Mnq(fy不低于345Mpa)，20世纪80年代末建造的九江长江大桥采用15MnVnq(fy不低于420Mpa)，20世纪90年代又进一步采用NH～25g耐候钢，但与美、德、日等发达国家相比，还有差距。德国用于建筑结构的钢材的屈服度以可达690Mpa。钢材发展的另一个方向是开发经济断面型钢，如轧制H型钢、T型钢、冷弯薄壁钢材、方圆钢管、彩色度锌压型钢板和更高强度的耐侯钢。另外，钢筋、钢丝、钢绞线也在向高强度、耐腐蚀、强粘结、低松弛等方面发展，如16mm直径的调质钢筋强度可达1350/1500～1450/1600Mpa（屈服强度/抗拉强度），用高频感应炉热处理产生的直径为9～32mm的含碳量不是很高的预应力钢筋，强度可达800/950～1350/1450Mpa，我国在大跨径桥梁中广泛应用的高强钢丝，和钢绞线的极限强度以分别达到1600Mpa和1860Mpa。目前，美、英、日以开发了ф4～ф9的高强度镀锌钢丝，强度可达1500～1800Mpa,日本已为明石海峡大桥研制出可达1800～2000Mpa的低合金钢丝。有人预计未来混凝土中采用的钢筋强度可能会超过13500Mpa.组合材料要大力加大开发。用两种或两种以上材料组合，利用各自的优越性开发高性能的便于使用的建筑制品，应该成为21世纪土木的一个重要特征。目前，用钢材和混凝土做成的压型钢盖板、组合梁、组合柱已在高层建筑和大跨桥中广泛应用；今后，利用层压技术把传统材料组合起来形成各种具有建筑装饰、受力、热工、隔音、绝缘、防火等方面新性能的复合材料，用于屋面、强体乃至构件，是建筑业发展的新天地。化学合成材料用于抗力结构是发展的崭新领域。目前将化学合成材料用于钢管、门窗、装饰配件、粘结剂、外加等已非常普遍。今后的方向一是扩展于建筑的外围部件，如用之代替钢、铜、木和陶瓷等传统材料；二是改善建筑制品的性能，包括保温、隔热、隔声、耐高温、耐高压、耐磨、耐火等新需求；三是在深入研究、开发其受力和形变的性能后广泛用于抗力结构，国外已有经聚合物处理的碳纤维强化复合材料来修建悬索桥，其限跨长可比钢悬索桥提高一倍以上。具报道，加拿大已快研究完成无钢筋的纤维加强的混凝土桥梁，美国正在筹建跨度达140m，宽18m的全塑料桥梁。以目前多应用于建筑工程中的悬挂式盖屋的膜（织物）结构材料为例，有尼龙纤维、聚脂纤维、玻璃纤维人造丝纤等。若再加以涂层，由于有较高的强度、钢度和耐久性，能用于永久性结构，常见的如：乙烯基涂层尼龙纤维膜，平均使用寿命15年，纤维强度35～70N/mm;乙烯基涂层玻璃纤维膜，平均使用寿命20年，纤维强度50～140N/mm;聚四氟乙烯涂层玻璃纤维膜，平均使用寿命25年，纤维强度50～175N/mm.14.2工程项目向更高、更深、更快的方向发展为了解决城市土地供求的矛盾，由于人类生活的需求，或者因为商业聚集效应的需要，建筑工程项目会向更高更深的方向发展。当前拟在日本东京建造的Shimizu超高层建筑已设计完成（图14.1），它有121层，550m高，采用矩形截面钢管混凝土柱，柱距分别为26m和12.8m两种，钢管混凝土柱最大截面尺寸为4000mm×2400mm。该建筑地处日本东京弯。地震作用、风荷载是设计的关键。矩形钢管混凝土柱具有承载力高、刚读大、延性好和施工方便等优点，在该建筑中得以应用。美国也拟在芝加哥建造一撞米格林—拜特勒大厦，它从地平面到塔尖的高度为609.7m（1.999.9ft）,有125个楼层，大厦的主体结构是一个十字形筒体，由一个内有十字正交的中心筒体（19m见方、壁厚0.46～0.91m）和两组位于建筑每侧端的8个巨翅型钢筋混凝土组合扶壁组成（扶壁截面尺寸在底座处为2m×10m，近顶部为1.4m×4m），混凝土强度为C70～C100.日本竹中工店技术研究所提出的摩天城（SkyCity）方案，为一底座宽400m见方，地上1000m高的六边形建筑，总建筑面积800万米2，可居住3.5万人，预计造价4760美元/m2,预期工期14年。为年发、水上通航、海上跨越的需要，桥梁的跨度越来越多，正向着长距离大跨径方向发展。上世纪80年代以来世界上修建的著名桥梁超过100多座，其中跨径大于200m的占90%以上超过1000m的约10%以上。如目前以建成的美国彭恰特轮桥，总长38.4Km，共有1526孔；日本本洲、四国联络桥全长37.3Km。可以预计未来的长大桥会有更大的发展；此外，一些富有创造性的的新桥型如水位隧道桥、塑性管桥、预应力金属和塑料桥、多用途桥也将在未来的桥梁道路中诞生。信息社会的发展在很大程度上取决于交通和信息工具，高速交通工具的出现又推动了铁路、公路和隧道工程的快速发展。高速火车以在日本和欧洲运营，不少国家正在开发实验性的磁悬浮列车系统(MagneticsupensionTainSystem)和真空隧道（VacuumTunnel）。高速铁路的补充，又是空运和市内高速道路的补充，又是航空和汽车运输的竞争对象。仅在欧洲高速铁路总长就达2万多公里。当前欧洲12个国家以制定了一项用高速铁路将其主要城市连接起来的计划，将耗资760亿美元，铺设3万公里的高五纵七横1.同江—三亚2.北京—福州３.二连浩特—河口４.北京—珠海1.绥芬河—满洲里2.丹东—拉萨３.青岛—银川４连云港—霍尔果斯６.上海—瑞丽７.衡阳—昆明速铁路。法国、意大利高速铁路时速以达300Km，日本新干线的行车速度则达345KM/h。预期磁悬浮列车由于行进中轮轨间不直接接触消除了磨檫力而可达500千米的时速。我国上海杭州间准备兴建全长170KM、设计时速500Km的磁悬浮高速铁路提议到议事日程上。可以想象，21世纪将是中国铁路兴旺发达的新世纪。另外，高速公路已在全世界普及，目前全世界有60多个国家共修建公路14万公里，其中美国8万多公里，我国2.52万多公里，居世界第二位。今后还会进一步发展。我国今后长期规划中的国道主干线系统有“五纵”“七横”，见表14.1和图14.2，他们贯穿了首都、直辖市和各省（自治区）省会（首府），连接了所有目前100万以上人口的城市。这个系统具有完善的安全保障、通信信息和综合管理服务系统。为重要城市间提供快速、直达、舒适的公路客货运输。到2010年，我国公路交通发展的战略目标将集中于：—“五纵七横”十二条国道主干线全部建成，全国高速公路达到3.5万公里，除乌鲁木齐和拉萨外，所有省会城市和重要沿海港口城市均由高速公路相连接，构筑起以高速公路主体的全国公路运输主骨架，珠江三角洲、长江三角洲、胶东半岛、辽东半岛、京津唐等经济比较发达的地区实现公路网初步现代化；-全国45个公路主枢纽基本建成，建立起省际干线快速直达汽车运物系统及其相应集散运输服务网络，形成比较完善的适应社会主义市场经济体制的公路运输市场体系；—区域骨架公路和国道技术改造取得突破性的进展，国道网中除西部地区个别路段外，均达到二级以上标准，形成高标准的干线公路网；—公路网的覆盖面进一步扩大，全国所有的乡镇（出个别岛屿外）和95%以上的行政村通公路。近年来，我国交通部又提出“13纵15横”国家重点公路建设规划，总规模约8.1万公里，扣除与国道主干线重复里程，规划建设里程约7.1万公里，其中东部地区1.5万公里，中部地区1.8万公里，西部地区3.7万公里。请注意图14.3中从福建至台湾岛的虚线，它是一条横穿台湾海峡连接我国大陆和台湾的通道。虽然它现在还不存在，但它可望成为跨越台湾海峡以两岸沿海地区为主轴的经济发展动力中心的纽带。目前，清华大学21世纪发展研究台湾海峡隧道论证中心吴明之教授已经提出在这个区域建造台湾海峡隧道的设想。此设想可能为一桥遂组合方案，即从福建的福清到沿海平潭岛为海上桥梁，从平潭到台湾的新竹为海底隧道，与两岸的铁路和公路网连接。隧道的海底段约长125Km，陆地段约长19Km，全长144Km，埋设在海底下50m(海水深30～70m)处，隧道洞身主要部分位于海平面下80～120m处，可通行高速列车和汽车（见图14.3示意）。如果建成，将成为超过跨越津轻海峡的日本清函海底隧道（全长53085Km，深埋100m，1988年建成）和跨越英吉利海峡的英法海底隧道（全长50.5Km，深埋45～60m,1993年建成）的世界最长、最深的海底隧道。发展可持续的土木工程土木工程的基本任务是改造自然，建造满足物质精神的人工环境。但土木工程发展与环境存在着矛盾。大的方面以城市建设为例，至2025年世界2/3人口将成为城市人口，这一方面碎容纳了全社会大部分经济活动另一方却消耗了大部分能源，过度占有土地，造成对环境的严重污染。小的方面以水泥生产为例，我国目前生产1t水泥熟料排放的CO2量约为1t，至2010年我国年产水泥将达到8亿吨，也就是说，今后10年内将向大气排放近75亿吨CO2,占全球大气中CO2积存量的1/3左右；这几年各大洲不断有灾害性气候现，如果10年后果真使大气CO2积存量有如此幅度增长的话，其后果不堪设想。这些触目惊心的能源危机和环境污染不得不引起人们的反思，进而提出“发展可持续的土木工程”和“绿色建筑”的观点。土木工程的可持续性（Sustainability）有以下几个概念∶它是一种在环境和生态上自觉的绿色建筑（GreenArchitecture）——指有能源意识，能促进自然资源保护的建筑。它是一种具有自然环境、人工环境和社会环境的城市和社区设计——指能综合考虑资源和能源效应，能在建筑使用、材料选择、生态平衡、自然景色、社会发展问题上整体考虑，并能在改善生活质量、谋取经济福利同时大大就减少对自然环境有害冲击的规划。应用高科技手段解决能源保护与环境问题——指适应高科技的发展从可再生能源中获益，如利用风力、水力（潮汐）发电，贮藏太阳能、地热能供热等。使用土木工程设计成尽量少使用可耗尽资源，尽量地多采用可更新资源，更有效地利用能源，更大循环地启用合成材料的工程——这是可持续发展的主要方向。另外，使现存的土木工程得到新生，如为新功能而改建，使老建筑现代化，也是创造可持续性的另一类做法。发展可持续的土木工程要做到建筑师、工程师、规划师、开发商、环境工作者、社会工作者社区集体和市政机构的管理人员共同致力于建设可持续建筑和其它土木工程项目，发展可持续的社区，同时还要大力纠正无节制的技术激增对环境和生态的负面后果。绿色建筑意在把绿色生命赋予建筑，以生态系统的良性循环为基本原则。以下几种建筑在不同方面体现了绿色思想∶⑴节能建筑它的含义是有效地利用能源，并能用新能源取代传统能源的建筑。如用太阳能技术，提高围护结构的保温性能，使用双层、三层玻璃窗，采用有效的密封的通风技术，种植树木遮掩建筑物来降低空调要求，自然光和自然通风的利用，取暖炉和高效照明灯具等节能设备的使用，地壳深处地热的利用等，就是节能建筑的重要措施。香港汇丰银行大楼就是利用风道狭窄出现的持续强风来发电的。瑞典、加拿大、美国已修建了近万幢超级绝热房，节能效率比传统建筑提高了75%。⑵生态建筑它是同周围环境协同发展的，具有可持续性的，利用可再生资源消耗的建筑。通常将生态建筑分为两类∶一类是利用高新技术精心设计以提高对能源和资源的利用效率，保持生态环境的建筑；另一类是利用较低技术生态建筑的典型。这种以生土为原材料的生土建筑。我国的窑洞、夯土墙和土坯房屋就是低技术生态建筑的典型。这种以生土为原材料的生土建筑，可就地取材，造价低廉，易于制作，东暖夏凉，是节能较理想的材料和维持生态平衡较好的建筑类型。⑶节地建筑指最大限度地少占的表面积，并使绿化面积少损失或不损失的建筑。适度地建造高层建筑是节地的一个途径，开发地下空洞建造地下建筑是节地的另一个途径。当前成功的可持续建筑的实例如1987年建造在阿姆斯特丹东南郊的荷兰银行新总部。它是一幢用矿物纤维绝热层、空腔空气层和外皮砖墙包着的建筑物。这种外层变成一个热槽，贮存从太阳能与其它内部热源积蓄的热量，然后在气温变凉时可释放热量使之变暖的建筑，充分显示了它贮存能量的效应，比相邻的同时代大厦可节能80%。又如1992年在马来西亚雪兰莪建成的梅纳拉･梅西涅加/IBM塔楼(MeneraMesiniaga/IBMBuding)是代表另一类可持续建筑的实例（图14.4）。该项目被设计成有盘旋、凹进和遮阳的窗户，有天然日照的楼梯和电视厅，有外墙上盘旋并带有同高滑门便于自然通风的阳台，以及有热面效应的供服务用的的核心区；它们不仅在热带的烈日下防护着这座塔楼，而且还提供自然通风的气流。除绿色建筑外，开发“城市地下空间”是一个重要途径，它可以较为有效地解决用地紧张、生存空间拥挤、交通阻塞、基础设施薄弱、生态失横、环境恶化等一系列的“城市病”。现在人类已经认识到“地下空间、宇宙、海洋”三者都是颇具有开拓前景的人类新的生活空间领域。而开发地下空间资源比开发宇宙、海洋空间容易得多，并且更易同城市原有地上空间协调发展。地下空间具有低噪音、低能耗、防震、防空袭等性能，有利于改善城市生态环境和提高总体防灾、抗毁能力。但地下工程也有许多不足之处，如通视性差、自然光线受限、空气自然流通性差、防潮问题多、造成人的不良心理反映，尤其是在建筑物密集的市区建造地下工程，会影响周围设施的安全使用，引发城市地质灾害，施工中一些加固土质的措施，可能会造成地下水污染。所以城市地下空间，要特别注意可持续发展的概念，充分认识地址规律以及城市发展与地下环境相互影响的规律，科学地规划、建造地下工程，保护地质环境，研究防灾技术，形成科学有序的地下空间开发战略。城市底下空间工程建设应遵循的原则是∶人行地上，物行地下，人长时间活动在地上，短时间活动在地下，由进及远，由浅而深，由易而难的开发地下空间。地表以下10m和10～30m的浅层、次浅层空间，人员上下方便，自然采光较易，是开发最容易的宝贵地下资源，应该全面而充分的予以开发。日本一学者提出对城市深层地下空间的利用，建立能源资源的再循环系统，则是一个很有见解的设想。现在城市对资源、能源的消费基本上都是开放性循环系统。从外界汲取水源，用后排处域外。能源多为一次使用。大量余热费热，未经再利用即排放空中，大量城市垃圾堆积在郊外，对环境造成二次污染。这种开放性的循环方式造成自然资源的极大浪费。若能工程措施形成“地上消费、地下运输、处理、回收、储存”的封闭循环体系。对节省能源、保护环境、提高生活质量意义深远。此外，土木工程可持续发展还有一个重要侧面是发展可持续的交通运输体系。在各种交通方式中，小汽车和摩托车是污染排放最严重的，表14.2所示交通方式通过人数/（车道･h）总排放量g（Km･人）自行车摩托车小汽车公共汽车专用车80015000～20000029.49718.9650.89正是认识到小汽车和摩托车的负面影响，许多国家开始选择自行车，有轨交通和公共汽车作为主要交通工具。1995年全世界是二十世纪80年代初的2倍，一些欧洲的国家如丹麦，人们旅程的1/5是靠自行车完成的。长途运输正由火车日益取代汽车∶日本的新干线和法国的TGV特快列车的开通，标志着铁路将再度复兴；又如欧洲12个国家以制订高速铁路联网的计划。另外，城市发展公共汽车专用道、城市轻轨电车地下铁道等则是城市可持续发展的一大趋势。大力发展计算机技术在土木工程中的应用计算机技术已经在建筑材料和制品的生产、各类土木工程的设计、计算、施工和研究、开发领域中地到日益广泛的应用。尽管如此，大力发展计算机技术和知识工程在内的信息技术在土木工程中的应用，仍是今后相当长时期内的重要任务。譬如，发展智能建筑（或称“高科技建筑”或“聪慧建筑”）是推广计算机在土木工程中的应用的一个方面。在建筑，尤其是高层建筑或大型工程建筑中，采用智能建筑系统技术（ISBT）一般包括以下几个方面∶⑴办公（或活动）自动化系统；⑵通讯（包括远程通讯）自动化系统；⑶建筑管理自动化系统；⑷设备自动化系统；⑸空气处理和配送系统；⑹照明系统；智能建筑的特征是所有系统都是用计算机的先进管理系统监测与控制的并能通过优化控制来保证使用者对舒适、安全、能源利用率可靠性的需要。这种计算机辅助建筑的总目标是，用计算机技术提供的方法有效地处理各个子系统集成和信息协调问题，以及大量信息的处理方法和方式问题。这个总目标肯定会建筑的场地规划和建筑设计、建筑维护系统、建筑的交通和消防系统、结构体系的选择、供热制冷空调系统和给水排水系统有着重大影响。1984年在美国哈特福特市出现了第一撞智能大厦，楼内设计了程控交换机等办公自动化设备，配电、供水、空调和放火系统均由计算机控制和管理，用户享有电子邮件、文字处理、语音传输、科学计算、信息检索和市场行情查询、防盗、闭路电视监视、火灾报警、应急照明等全方位服务。日本青山大楼供智囊团思考、立案、企化的公共场所。大楼设有联络处，可以显示以确认个人行踪和传达找人；备有为会议中心提供数据、文字、图形、概念、情报检索等大型荧光屏显示；有完善的防火、防震、防盗的报警系统并设有地震仪和自动播送火灾、震级和指导疏散的信号。我国典型的智能建筑有上海金茂大厦、上海证券大厦、广州中天广场、深圳帝王大厦、深圳赛格广场等。智能建筑在发达国家发展较快，90%以上的大型综合建筑采用智能建筑的思路进行设计。美国、日本等国家综合智能城市构想建设，数以万计的智能建筑拔地而起可以认为，智能建筑以成为建筑行业的主流。在发展智能建筑的同时，智能交通系统（ITS）也应运而生。美国、欧盟均于上世纪90年代开始开发研究ITS，它一般包括下列先进系统；①交通管理系统（含管理信息、运政信息、交通事故预防、紧急救援、网络收费等）系统；②交通综合信息服务系统；③车辆控制系统；④车辆调度系统；⑤公共交通系统；⑥高速公路系统。我国的ITS展望是∶2005年基本形成大城市综合交通的ITS；2050年基本形成综合交通的ITS。又如，发展土木工程计算机仿真分析可用来解决以往许多技术上解决不了的难题。洪水、火灾地震等灾害的原型实验固然不可能做到，但利用计算机仿真分析则可进行原型的模拟实验。目前以有不少抗灾防震的模拟仿阵软件已研制成功。地下开挖全过程的计算机模拟仿真，可以大体演示这些灾难发生的全过程，从而可以指导做出抗震、防火、防洪的规划；尤其在震害发生时，可以较为准确地找到结构倒塌的原发点和连续倒塌的全过程，从而作为抗震设计的可靠依据。核反应堆安全壳的事故反演分析，则可找出发生的原由和发展的全过程。另外，计算机仿真实验还可以按1∶1足尺进行计算机上的工程实验、钢筋混土结构裂缝发展和破坏过程的模拟实验，因而更能显示真实的结果。计算机仿真基本思路可用图14.6所示框图表示。再如，建筑结构基本理论未来研究的热点，以下几个方面为例∶设计计算方法中近似概率极限状态方法的完善和全概率分析方法的研究；将强度、变形、延性贯穿起来的全过程分析；整体结构的空间工作、地基与上部结构耦联系系统的中合分析；大型结构（如大跨桥梁、大跨薄壁空间结构、海洋平台等）的整体分析；与时间有关的结构动力分析，如短时冲击作用、行车脉动荷载、地震作用等的反应分析；综合考虑安全性、整体稳定性、适用性和耐久性的可靠分析和评估方法；……他们都将依靠计算机技术的应用才能较好地实现，或者才能大大提高他们的精确度和可靠性。目前，计算机辅助设计（CAD）、计算机制图以及建造技术的计算机文化以广泛地在土木工程设计和施工管理的各个环节中采用。土木工程建设中招投标、概预算、编制施工设计、工程进展记录、设备材料和人员管理等方面以普遍应用计算机进行，并朝着计算机辅助制造（CAM）方向发展。CAM是计算机辅助工程（CAE）的一个组成部分，涉及建筑构配件的成批生产、加工