土木工程内涵与简史

上一讲学习内容1.1土木工程和土木工程专业⑴.什么是土木工程？⑵.土木工程需要解决的问题？⑶.土木工程具有的4个基本属性？1.2我国高等学校土木工程专业的培养目标⑴.关于科学、技术、工程和工程师的概念⑵.对工程师的基本素质的要求？12.土木工程要解决四个方面的问题人类生存的需要（空间、通道、环境等）；目的抵抗自然灾害、人为破坏；存在原因充分发挥材料的作用；物质基础土木工程施工与组织管理；最终实现为解决以上四个方面的问题需要进行的土木工程活动包括两个方面：

技术方面：勘察、测量、设计、施工、监理、开发等

管理方面：制订政策和法规、企业管理、项目管理、施工组织、物业管理等；23.土木工程具有四个基本属性：社会性随社会不同历史时期的科学技术和管理水平而发展。综合性土木工程是运用多种工程技术，进行勘测、设计施工工作的成果。实践性由于影响土木工程的因素错综复杂，使土木工程对实践的依赖性很强。技术、经济和艺术的统一性。土木工程是为人类需要服务的，它必然是每个历史时期技术、经济、艺术统一的见证。3第2章

土木工程的内涵和发展简史42.1土木工程的内涵⑴.定义是工程分科之一。指用石材、砖、砂浆、水泥、混凝土、钢材、钢筋混凝土等建筑材料修建房屋、铁路、道路、桥梁、隧道、运河、堤坝、港口等工程的生产活动和工程技术。也是一种学科。指运用数学、物理、化学等基础科学知识，力学、材料等技术科学知识以及土木工程方面的工程技术知识来研究、设计、修建各种建筑物和构筑物的一门学科。工程是指土木建筑或其它生产、制造部门用比较大而复杂的设备来进行的工作。如机械工程、化学工程、土木工程、水利工程等。56

桥梁、铁路、公路、隧道；位于河北省井陉县苍岩山风景区，架设在峡谷峭壁上，原名苍楼，是福庆寺的主体建筑之一，它以桥上建危楼的独特造型，称奇于世，桥长１５米，宽９米，单孔空腹式石拱桥，由２１道独立弧券纵向排列而成。桥下有石阶三百余级，拾级而上可达桥楼殿。楼殿建在石桥上，面宽五间，石桥建造年代，据考为隋开皇年间(公元５８１－６００年）。

7四川省泸州龙脑桥，位于泸州市附近的九曲河上，建于明代洪武年间(公元１３７８～１３９８年）。桥高５米、长５４米，宽１．９米，共１３孔，由３０块长３．６米的青石板组成。中间８个桥墩上分别雕有龙、象和麒麟的头像，石雕艺术精湛，造型别致，布局奇特。因石雕中有４个龙头故名龙脑桥。

8安康汉江桥位于陕西省安康县，主跨为１７６ｍ斜腿刚构(为目前同类型铁路钢桥中跨度最大者）。梁长３０５．１０ｍ，桥全长５４２．０８ｍ，桥墩采用圆形空心墩，仅＃５墩为直径８ｍ的实体墩，并设有水平板铰与主梁相连以传递斜腿刚构的纵向水平力。墩台均采用明挖基础，斜腿刚构的斜腿支墩为悬臂式，其悬臂部分为钢筋混凝土矩形结构。主梁按５６＋６４＋６４＋６４＋５６(ｍ）分跨，910111213土木工程也是一种学科，是指运用数学、物理、化学等基础科学知识，力学、材料等技术科学知识以及土木工程方面的工程技术知识来研究、设计、修建各种建筑物和构筑物的一门学科。这里要分清两个重要概念建筑物（建筑）：指供人们进行生产、生活或其它活动的空间、场所。如工业建筑、民用建筑、农业建筑、铁路建筑等1415161718与建筑物对应的另一个重要概念是构筑物构筑物：指人们一般不直接在内进行生产、生活活动的建筑物，如水塔、堤坝、烟囱等。19济南污水处理厂，全套设备从奥地利AQVA公司引进。采用蛋形消化池。建成的三座蛋形消化池，为双曲线予应力钢筋混凝土壳体结构，其规模目前居世界第二、亚洲第一。经权威部门鉴定，该工程的建成，为中国特种建筑结构增添了一个新品种20(2)土木工程具有民用性是与人们的衣、食、住、行关系密切的工程。英语称CivilEngineering愿意是与“军事工程”（MilitaryEngineering)相对应的。解决衣、食、行的问题有直接的一面，也有间接的一面。(3)各类土木工程必须具备抵御自然灾害和人为的作用力2122各类土木工程必须具备抗灾能力，是土木工程学科对人类社会肩负的神圣的职责！学习土木工程专业的大学生从现在起就要树立起对社会强烈的责任感！23(4)要充分理解土木工程所要解决的四个方面的问题。作为未来的土木工程师不仅要保证完成的各类土木工程能承受各种作用力，同时，还能根据现有的物质基础（土地、材料、施工机具等）经济而迅速地完成其建造任务。24小结土木工程是一种生产活动和工程技术、还是一种学科；与衣食住行密切相关，民用性；土木工程要能抵御自然界和人为的各种作用；建造各类土木工程要经济、迅速；同时还要认识到，土木工程虽然是一门古老的学科，但其领域随相关学科的发展、经济建设和社会进步的需要不断深化、不断拓展。252.2土木工程的发展简史26墙内竖有木柱茅草下密排树枝起龙骨作用。d5~6m3个历史时期：古代、近代与现代⑴.古代土木工程时间跨度长。大致从新石器时代（约公元前5000年起开始至17世纪中叶)。具有代表性的工程有：

我国黄河流域的仰韶文化（约公元前5000~3000）遗址。

埃及帝王陵墓建筑群——吉萨金字塔群。(1).古代土木工程2728建于公元前2700~2600年，其中以古王国第四王朝法老胡夫的金字塔最大。塔基呈方形，边长约230.5m，高约146m，用230余万块巨石砌成。29斯芬克斯——人首狮身石雕像。建于公元前26世纪，长57m，高20m。法老以此象征尊严。30

长城我国历史上伟大工程之一。始建于公元前7~5世纪间的春秋、战国时代。最早修筑长城的是楚国，称为“方城”。公元前214年，由秦始皇扩建完成。随后，各朝代都进行过修筑、扩建。其中以明代修筑规模最大，工程技术水平也最高。通常称的明长城为东起山海关，西止嘉峪关。31

公元前770年秦襄公时期，人们曾用以木材（截面尺寸为150×150mm的方材）和青铜制金gang做成的木框架建筑房屋。32

约公元前256~前251年（战国时期）始建于秦昭王末年的四川都江堰大型引水枢纽，是世界历史上最长的无坝引水工程。四川都江堰大型引水枢纽，建于公元前256~251年，是世界历史上最长的无坝引水工程。以灌溉为主，兼有防洪、水运、供水等多种效益，一直沿用至今。33都江堰的主体工程是将岷江水流分成两条，其中一条水流引入成都平原，这样既可以分洪减灾，又达到了引水灌田、变害为利。江心堆成一个狭长的小岛，形如鱼嘴，岷江流经鱼嘴，被分为内外两江。外江仍循原流，内江经人工造渠，通过宝瓶口流入成都平原

都江堰渠首工程主要有鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道、宝瓶口进水口三大部分构成，科学地解决了江水自动分流、自动排沙、控制进水流量等问题，消除了水患。总说鱼嘴、内外江与宝瓶口34鱼嘴外江内江飞沙堰宝瓶口都江堰平面图35为了进一步起到分洪和减灾的作用，又修建了一条长２００公尺的溢洪道流入外江，江水超过堰顶时洪水中夹带的泥石便流入到外江，这样便不会淤塞内江和宝瓶口水道，故取名“飞沙堰”。

飞沙堰36鱼嘴的设置极为巧妙，它利用地形、地势，巧妙地完成分流引水的任务，而且在洪、枯水季节不同水位条件下，起着自动调节水量的作用。鱼嘴”是都江堰的分水工程，因其形如鱼嘴而得名，它昂头于岷江江心，把岷江分成内外二江。西边叫外江，俗称“金马河”，是岷江正流，主要用于排洪；东边沿山脚的叫内江，是人工人工引水渠道，主要用于灌溉；373839宝瓶口，是前山(今名灌口山、玉垒山)伸向岷江的长脊上凿开的一个口子，它是人工凿成控制内江进水的咽喉，因它形似瓶口而功能奇持，故名宝瓶口。留在宝瓶口右边的山丘，因与其山体相离，故名离堆。40

在鱼嘴以下的长堤，即分内、外二江的堤叫金刚堤。堤下段与内江左岸虎头岸相对的地方，有一低平的地段，这里春、秋、冬、三季是人们往返于离堆公园与索桥之间的行道的坦途，洪水季节这里浪花飞溅，是内江的泄洪道。泄洪道，唐朝名“侍郎堰”、“金提”，后又名“减水河”，它固具有泄洪排砂的显著功能，故又叫它“飞沙堰”。4142李冰通过对岷水东流的地形和水情作了实地勘察，决心凿穿玉垒山引水。在无火药（火药发明于东汉时期，即公元２５年至２２０年间）不能爆破的情况下，他以火烧石，使岩石爆裂(热涨冷缩的原理)，大大加快了工程进度，终于在玉垒山凿出了一个宽２０公尺，高４０公尺，长８０公尺的山口。（低水位每秒流速３公尺，高水位每秒流速６公尺）因形状酷似瓶口，故取名“宝瓶口”，把开凿玉垒山分离的石堆叫“离堆”。

宝瓶口引水工程的施工43鱼嘴飞沙堰宝瓶口都江堰平面图离堆44问题：宝瓶口引水工程完成后，虽然起到了分流和灌溉的作用，但因江东地势较高，江水难以流入宝瓶口。李冰父子率众又在离玉垒山不远的岷江上游和江心筑分水堰，用装满卵石的大竹笼放在江心堆成一个狭长的小岛，形如鱼嘴，岷江流经鱼嘴，被分为内外两江。外江仍循原流，内江经人工造渠，通过宝瓶口流入成都平原。

鱼嘴分水工程的施工45为了进一步起到分洪和减灾的作用，在分水堰与离堆之间，又修建了一条长２００公尺的溢洪道流入外江，以保证内江无灾害，溢洪道前修有弯道，江水形成环流，江水超过堰顶时洪水中夹带的泥石便流入到外江，这样便不会淤塞内江和宝瓶口水道，故取名“飞沙堰”。飞沙堰的设计就是很好地运用了回旋流的理论。

飞沙堰46

中国历代封建王朝建造的大量宫殿和庙宇建筑，均系木构架结构。它是用木梁、木柱做成承重骨架，用木制斗拱做成大挑檐。47北京故宫太和殿。建于明永乐18年，（1420年）是故宫最壮观的建筑，也是我国现存最大的木构殿堂。48殿建在三层汉白玉台基上。49斗拱5051

山西应县木塔，建于公元1056年，塔高67.3m，八角形。底层直30.27m。该塔共9层，是我国保存至今的唯一木塔，也是现存的最高的木结构之一。它虽经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。5253

西欧各国以意大利比萨大教堂和法国巴黎圣母院为代表的教条建筑，都采用了砖石拱券结构。54意大利比萨大教堂建于公元11到12世纪，系一组由教堂（1063~1118）、洗礼堂（1153）、钟塔（1174~1350）组成的建筑群。55巴黎圣母院建于1163~1250年，是法国早期哥德式建筑的典型。平面宽约47m，长约125m，可容近万人。圣坛上部的尖塔高达90m。正面是一对高60余米的塔楼，下部有三个尖卷门洞。56科隆大教堂是欧洲北部最大的哥德式教堂，始建于13世纪中叶。在德国科隆。平面呈拉丁十字形，长136.5m，宽45.7m，东端为7个小圆龛组成的半圆形卷廊，西立面有一对八角形塔楼，建于1842~1880年，高达150多米。5758小结：古代土木工程的特点这个历史时期内，土木工程所用材料最早只是当地的天然材料，如泥土、砾石、树干、竹、茅草、芦苇等，后来发展了土坯、石材、砖、瓦、木、青铜、铁、铅以及混合材料如草筋泥、混合土等。生产工艺、施工机具也很简单。用斧、凿、锯等工具，有砖窑制砖技术、煅烧加工技术等。打桩、桅杆起重技术等。59⑵.近代土木工程近代土木工程的时间跨度为从17世纪中叶至20世纪中叶的300年间。主要特征是：

有力学和结构理论作指导；砖、瓦、木、石等建筑材料广泛使用；混凝土、钢材、钢筋砼以及早期的预应力砼得到发展。意大利科学家伽利略在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，首先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，它们是土木工程设计理论的基础。

瑞士数学家欧拉在1744年出版的《曲线的变分法》建立了柱的压屈理论，为分析土木工程结构物的稳定问题奠定了基础。

施工技术进步很大。结构分析理论方面的突破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了极限平衡的概念。601824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。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年发明了贝塞麦转炉炼钢法，使钢材得以大量生产，并广泛应用于土木工程。1867年法国人莫尼埃用铁丝加固混凝土制成花盆，并推广到工程中，建造了一座蓄水池，这是应用钢筋砼的开端。1875年，他主持建造了第一座长16m的钢筋砼桥。土木工程材料方面的突破1886年美国人杰克逊首先应用预应力混凝土制作建筑配件，后又制作楼板。1930年法国工程师弗涅希内将高强度钢丝用于混凝土。预应力混凝土得到应用61钢筋混凝土工程施工技术、预制钢筋混凝土工程施工技术、预应力钢筋混凝土施工技术钢结构工程施工技术施工机械也有突破，能够完成高层、大跨度的工程的施工。塔吊，起源于西欧。第一项有关建筑用塔机专利颁发于1900年。1905年出现了塔身固定的装有臂架的起重机，1923年制成了近代塔机的原型样机，同年出现第一台比较完整的近代塔机。1930年当时德国已开始批量生产塔机，并用于建筑施工。工种分工也达到相当精细的程度。

近代施工技术的发展结构分析理论、工程材料、施工技术的发展促使土木工程在建筑、铁路、公路与桥梁建设中得到大规模的发展621883年美国在芝加哥由称为“摩天楼之父”的詹莱（B.Jenney)建造的11层住宅保险大楼，是世界最先用铁框架（部分钢架）承受全部大楼的重力，外墙仅为自承重墙的高层建筑。1889年，法国在巴黎建造了高300m的埃菲尔铁塔，用钢8000t。这是近代高层建筑结构的萌芽。由奥蒂斯（E.Otis)在19设计50年代初期发明的安全升降机也使高层建筑成为可能；他最先采用的是蒸汽动力升降机，直到1857年在纽约才安装了第一台乘人用的电梯。高层建筑出现631876OtisPassengerSteamElevator

Otispiston(left)andplunger(right)hydraulicelevators

electricgearedpassengerelevatorproducedbyMorse,Williams&Co.c.1890

64芝加哥学派：十九世纪七十年代，在美国兴起了芝加哥学派，它是现代建筑的美国的奠基者。南北战争以后，北部的芝加哥就取代了南部的圣路易斯城的位置，成为开发西部富源的前哨和东南航运与铁路的枢纽。随着城市人口的增加，对于兴建办公楼和大型公寓是有利可图的，特别是1873年的芝加哥大火，使得城市重建问题特别突出，为了在有限的市中心区内建造尽可能多的房屋，于是现代高层建筑便开始在芝加哥出现，“芝加哥学派”（ChicagoSchool）也就应运而生。

关于芝加哥学派与摩天楼之父工程师詹尼（WilliamleBaronJenny,1832-1907）65芝加哥学派最兴盛的时期是在1883年到1893年之间。它在工程技术上的重要贡献，是创造了高层金属框架结构和箱形基础。在建筑造型上趋向简洁与创造独特的风格。

芝加哥学派的创始人是工程师詹尼（WilliamleBaronJenny,1832-1907）。1879年他建造了第一拉埃特大厦（FirstLeiterBuilding）七层货栈，这是砖墙与铁梁柱的混合结构；1883-1885年又建造了芝加哥家庭保险公司的十一层框架建筑，但立面仍然是处理得很沉重的，还没有完全摆脱古典的外衣。1885-1887年，理查逊（H.H.Richardson）设计的芝加哥马歇尔·菲尔德百货批发商店（MarshallFieldWholesaleStore）虽然仍然采用传统的砖石墙承重结构，而在外形上已摈弃了哥特式和文艺复兴式的虚假装饰。它那简洁明确的手法，反映了芝加哥学派的显著特征。

661.

马歇尔大厦（MarshallFieldandCo.Store）中庭及拱顶。2.

马歇尔大厦室内，铸铁的柱子外面包以科林斯柱式。

67

1891年，伯纳姆与鲁特（BurnhamandRoot）设计的蒙纳诺克大厦（MonadnockBuilding）是一座16层的建筑，是当时在芝加哥用砖墙承重的最后一幢高层建筑。在立面上，没有壁柱，也没有线脚装饰，而光光的外表，曲线的檐口与突出的窗户，不同于虚假的折衷主义，是合乎结构逻辑的表现，使传统砖石建筑采用了新的形式。68

the16-storyMonadnockBuilding69

the16-storyMonadnockBuildingthelowerwallstobeover2mthick7071WoolworthBuilding.constructedin1913,60-stories,241minhigh.WoolworthBuilding.72Its102storiesrosetoaheightof381m,whichhasnowincreasedto449mwiththeadditionofaTVaerial.Thebuildingused57,000tofstructuralsteel,nearly53,500m3ofconcrete,andwasdesignedandbuiltintherecordtimeof17months.theEmpireStateBuilding.Its102storiesrosetoaheightof381m。73

土木工程在铁路、公路、桥梁建设中得到了大规模发展；——1825年在英国人斯蒂芬森在英格兰北部斯托克顿和达灵顿之间修筑了世界第一条长21km的铁路，1863年在伦敦又建造了世界第一条地下铁道。74——1779年英国用铸铁建成跨度为30.5m的拱桥；1826年英国用锻铁建成建造了第一座跨度为177m的悬索桥；1890年英国又建成两孔主跨的悬臂式桁架梁桥。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。75该桥（英国的科尔布鲁克代尔桥）建于1779年。桥跨约30.5m，矢高13.7m，由五片半圆形拱肋组成。该桥完全模仿木拱桥的形状。钢材的出现，把铸铁（以及锻铁）桥送进了桥梁历史博物馆。科尔布鲁克代尔桥曾使用170年。

世界最古老的铸铁拱桥（CoaibrookdaleBridge)76梅奈海峡桥，位于英国的威尔士，1826年建成。该桥是英国用铸铁建成的第一座悬索桥，主跨177米，为当时世界上最大跨度的桥梁，现仍存在。梅奈海峡桥771890年由贝格（B.Baker)设计并建成的福斯桥（ForthBridge)位于英国爱丁堡附近，两孔主跨达521m，耗钢50000吨。属于悬臂式桁架梁桥。福斯桥（ForthBridge)78加拿大魁北桥QuebeeBridge该桥位于加拿大QuebeeCity，建于1917年。桥型钢桁架（steeltrussbridge)，跨度549m,已超过了英国的福斯桥，在该类型桥梁中主跨居世界第一。该桥从1897年设计和施工差不多用了20多年的时间，在建造过程中于1907.8.29、1916.9.11分别出现了两次倒塌事故，1917.3建成通车。跨度549m79TheCollapseofAugust29,190780TheCollapseofSeptember11,191681伦敦塔桥82该桥位于泰晤士河口，是伦敦的标志性建筑。1894年6月30日对公众开放。该桥将伦敦南北区连接成整体，河心建有两墩，相距76m，墩上建有高耸的方形尖塔，在两塔间建成一跨双层两用桥。下层是活动桥，6车道桥面，可通行万吨海轮；上层（高出水面43m处）为固定的人行桥。桥塔内设楼梯上下，内设博物馆、展览厅、商店、酒吧等。登塔远眺，可尽情欣赏泰晤士河上下游十里风光。下层是活动桥上层是人行桥83——1931~1942年，德国率先修筑了长达3860km的高速公路网。841906年美国旧金山大地震，1923年日本关东大地震，这些自然灾害推动了结构动力学和工程抗震技术的发展。85⑶.现代土木工程时间跨度为20世纪中叶第二次世界大战结束后至今。首先是社会经济建设对土木工程提出日益复杂和高标准的要求。表现为：其特点表现为：A.土木工程功能化即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。86巴西国会大厦。建于1957~1959巴西首都巴伐里亚。由国会上下议院、办公楼和各部分厅室、服务房间等组成。240*80平台27层板式办公楼碗形穹隆会场建筑造型讲究构图形式，体型简洁而对比强烈。87蓬皮杜国家艺术和文化中心——综合性文化建筑。建于1972~1977年。特点：建筑外观、结构、设备均暴露。沿街立面满是彩色管道。88——工业建筑物。围绕生产工艺在功能要求方面越来越高。并向大跨度、超重型、灵活空间方向发展。大众汽车制造厂CKD车间8990秦山核电站2、3期工程——发展高科技和新技术对土木工程提出高标准要求。如核反应堆、核电站；海洋工程等。9192B.城市建设立体化20世纪中叶以来，城市建设有三个趋向；——高层建筑的大量兴起。由于城市人口大量积聚，密度猛增，用房紧张，地价昂贵，建筑物向空间发展。美国的高层建筑最多，高度在160~200m的就有100多幢。近10年来，我国、马来西亚、新加坡等东南亚国家的高层建筑有很大发展。马来西亚石油双塔大厦。目前世界最高，450m.上海金茂大厦421m高，88层用

地

面

积:30,000m2占

地

面

积:14,400m2总建筑面积:381,600m2建

筑

层

数:地上101层、地下3层建

筑

高

度:492米9394——地下工程高速发展。如地下铁道、商业街、停车库、体育馆、影剧院、工业厂房、地下仓库等。9596——城市高架公路、立交桥大量涌现。9798C.交通运输高速化其标志是：高