第2章-土木工程的发展简史

土木工程概论1-2土木工程发展历史简述一、土木工程的理解二、古代的土木工程三、近代的土木工程四、现代的土木工程五、土木工程的未来

一、“土木工程”理解1.土木工程的内涵1）中国古代哲学五行学说：世界万物由“金、木、水、火、土”组成，工程建设材料主要是土和木；

“土”包括：岩石、砂子、泥土、石灰、砖、瓦、陶瓷等；“木”包含：木材、茅草、藤条、竹子等，“土木”组成了工程建设所用的材料，故以此作为工程建设的代名词。历史发展：分久必合、合久必分；改朝换代，必大兴土木，修建宫廷庙宇、皇家园林。故成语“大兴土木”成为工程建设的代名词。2）一般观点采用工程材料，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。

3）国务院学位委员会学科定义是建造各类工程设施的科学技术的总称，既指工程建设的对象，即建在地上、地下、水中的各种工程设施，也指所应用的材料、设备和所进行的勘测设计、施工、建材、工程保养与维修等相应的工程技术。98年学科调整为“土木工程专业”：将建筑工程、交通土建工程、矿山建设工程、城镇建设（部分）、工业设备安装工程、饭店工程、涉外建筑等工程合并而成。一级学科下设：结构工程、岩土工程、防灾减灾及防护工程、道路与桥梁、隧道与地下工程工程、市政工程教学研究方向。1998年7月大土木框架土木工程专业建筑工程交通土建工程矿井建设城镇建设工业设备安装工程涉外建筑工程其它工程专业现在4）现实需求与国家发展的重要性土木工程是一种与人们的衣、食、住、行关系密切。“住”建造各种类型的建筑物；“行”建造铁路、道路、桥梁工程；“食”必须打井取水、兴修水利、进行农田灌溉、城市排水供水等。间接关系：工农业生产、科学研究等有关，如制造汽车、轮船也好，纺纱、织布、制衣也好，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。国家基础设施建设与发展需求：道路铁路交通、水利电力、能源与资源、城市建设等。（三峡工程、西藏铁路、南水北调、西电东送、地铁工程、隧道工程等）经济拉动和刺激作用：房地产市场波动、4万亿扩大内需（大部分用于工程建设）2.土木工程涉及行业范围

土木工程的范围非常广泛：包括房屋建筑、公路铁路交通工程、隧道与桥梁工程、岩土与地下工程、水利水电工程、能源资源工程、市政工程等行业。建筑环境与工程减灾防灾：如台风、地震、爆炸等。因此，各类土木工程都必须具备抵御上述各种灾害作用的能力。土木工程

1964年6月16日日本新瀉7.5级地震

二、古代土木工程（17世纪中叶以前）1）基本理论依据：无，依靠实践经验。2）基本设备工具：简单，斧、锤、刀、铲、石夯等。3）建筑材料：取之于自然，石块、草、土坯等，公园前1000年开始烧制砖。4）西方宏伟建筑：砖石结构，如埃及金字塔、希腊的帕特农神庙、古罗马斗兽场、土尔其伊斯坦布尔的索菲亚大教徒等。5）中国宏伟建筑：木与砖墙结构，如山西应县木塔（67.3m）、北京故宫、天坛、万里长城（东起山海关，西至嘉峪关，5000多公里）、河北赵州桥、四川都江堰水利工程、京—杭大运河、帝王将相的庙宇楼台、深宫大院等古代土木工程有以下几种主要结构形式木结构石结构砖结构山西应县木塔埃及金字塔山西佛光寺祖师塔埃及的金字塔

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。

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。

我国的京杭大运河北起北京，南到杭州，纵贯北京、天津二市，流经河北、山东、江苏、浙江四省，沟通海河、黄河、淮河、长江、钱塘江五大水系,全长1,794千米，是世界最长的人工河。长度居世界第三的苏伊士运河，只有它的1／10。长城：中华历史与文明的象征

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西藏布达拉宫

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。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，即赵州桥。该桥全长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.590～608年，李春故宫是明清两朝皇帝的宫殿，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。

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。典型古代石结构遗址古希腊帕特农神庙古罗马斗兽场外景古罗马斗兽场内景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的文明和智慧古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。空中花园：巴比伦和米底2国联合攻打亚述帝国，巴比伦的太子娶和米底的公主为妻，加强联盟，以示友好。公主难忍巴比伦的烈日和风沙，生了思乡病。于是国王命令按王后的家乡景物造空中花园。支撑花园的圆柱高达75英尺。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更富于艺术魅力。

三、近代土木工程

时间跨度从17世纪中叶至20世纪中叶的300年间.1）近代土木工程的主要特征（1）有力学和结构理论作指导；（2）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；（3）施工技术进步很大，建造规模日益扩大，建造速度大大加快。2）近代土木工程经典案例：

1825年英国人史蒂文生制造的“运动一号”蒸汽机车，在斯托克顿至达林顿间开始营业，从此世界第一条铁路正式诞生。1883年美国在芝加哥建造第一座依照现代钢框架结构原理建造起来的11层高层建筑是芝加哥家庭保险公司大厦。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萌芽。芝加哥家庭保险公司大厦

芝加哥家庭保险公司大厦建于1883－1885年，共10层，高55米，是世界上第一幢按现代钢框架结构原理建造的高层建筑，开摩天大楼建造之先河。

艾菲尔铁塔（1889年，高300m，18000余个构件，250万个钮钉，8500t）金门大桥，1280m，桥头塔高277m帝国大厦（纽约，378m，第五）

钱塘江大桥（茅以升，1937年，通车89天，53年重建）

京张铁路（詹天佑，1909年建，200km，下面是八达岭隧道）巴拿马运河连接太平洋和大西洋

苏伊士运河四、现代土木工程20世纪中叶第二次世界大战结束后至今的土木工程1）现代土木工程的特征

土木工程功能化

城市建设立体化

交通运输高速化

水利工程大型化2）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

1）现代土木工程的特征（1）

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。

发展高技术和新技术对土木工程提出高标准要求。如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、海底油库等（2）

城市建设立体化城市建设立体化的三个趋势：（A）高层建筑的大量兴起（B）地下工程的高速发展（C）城市高架公路、立交桥大量出现

（A）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、韩国的高层建筑有了很大的发展。目前，世界最高的建筑为452米的马来西亚的石油双塔大厦，中国最高的是上海的金茂大厦。自1885年美国兴建第一幢高层建筑－－芝加哥家庭保险公司大楼（11层，55米）以来，高层建筑的发展是很快的。

1931年建成的纽约帝国大厦（102层，381米），保持世界最高建筑的记录达41年之久。

1972年建造的两幢世界贸易中心大厦（110层，417米，415米），打破了帝国大厦高度的记录。

1974年美国又建成了芝加哥西尔斯大厦（110层，443米），它的高度保持世界最高水平达22年。

1996年马来西亚双塔石油大厦（452米）建成，成为至今为此的世界最高建筑。

1998年建成的金茂大厦（88层，420.5米）为中国的最高建筑。金茂大厦（上海）

（B）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。二十一世纪是地下空间开发利用的时代。巴黎地下铁路

（C）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

1991年底共建成各种形式和不同类型的道路立交桥160座。广州四层高架路

立体化：地下立体化：地面上海外滩厦门环岛路解放路新城隧道杭州西湖立体化：天上纽约世贸大厦城铁北京西环大厦交通工程快速化铁路－北京西客站香港国际机场客运楼高速公路3）交通运输高速化（A）高速公路的大规模修建（B）电气化铁路形成和发展（C）长距离海底隧道的出现（A）高速公路的大规模修建：

据不完全统计，至1993年底，全世界有50多个国家和地区拥有高速公路，其中有近20多个国家和地区拥有1000公里以上，如美国有约8.4万公里，德国约9000公里。我国台湾也有373公里。高速公路已在一定程度上取代了铁路的职能。

北京的公路建设

（B）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。（C）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隧道(上海黄埔江隧道)全长2.76公里。

英法海底隧道

4）水利工程大型化

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；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，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。2）现代土木工程的发展趋势

（A）建筑材料的轻质、高强化

（B）施工过程的工业、装配化

（C）设计理论的精确、科学化（A）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。

（B）施工过程的工业、装配化

也即土木工程的施工出现了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的方式。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。（C）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。世界最高建筑：ChicagoWorldTradeCenter(芝加哥)待建----2,300英尺

-701米

Miglin-BeitlerSkyneedle(芝加哥)待建------2,000英尺

-610米

上海环球金融中心(上海)(在建)---------------1,507英尺

-460米

佩重纳斯大厦(俗称“国营石油双塔”)(马来西亚)----------1,483英尺

/452米

西尔斯塔楼(芝加哥)------------------------1,454英尺

/443米

金茂大厦(上海)----------------------------1,379英尺

-420米

纽约世界贸易中心(美国)---------------------1,368英尺

/417米

&1,362英尺

/415米

帝国大厦(纽约)----------------------------1,250英尺

/381米

香港中环广场

(香港)-----------------------1,227英尺

-374米

中国银行大厦

(香港)----------------------1,209英尺

-369米

阿莫柯大厦(芝加哥)-----------------------1,136英尺

-346米

约翰汉考克中心大厦

(芝加哥)---------------1,127英尺

-344米

世界第一悬索桥－日本明石海峡大桥世界第一斜拉桥－日本多多罗大桥世界第一电视塔－加拿大多伦多电视塔世界第一高坝－瑞士大迪克桑斯坝世界第一电视塔－加拿大多伦多电视塔世界第一高坝－瑞士大迪克桑斯坝1、ChicagoWorldTradeCenter

芝加哥：待建，建筑物高

701m2、Miglin-BeitlerSkyneedle待建，高610m，位于美国芝加哥3、上海环球金融中心

中国上海（建设中）。共95层，高460m，建成后将成为世界最高建筑。总投资逾750亿日元，由日本森大厦株式会社的全额子公司森海外株式会社及日本具有代表性的银行、保险公司、商社等36家企业，偕同政府系统机构日本海外经济协力基金OECF联合投资。1997年8月27日，上海环球金融中心正式奠基。

4、佩重纳斯大厦（俗称“国营石油双塔”）

马来西亚吉隆坡，建成于1998年，世界最高建筑，总高度达452m,共88层，由两座完全相似的塔楼组成，其第42层的人行天桥更显其特色。

5、西尔斯塔楼

美国芝加哥，建于1971年

-1974年，成束筒结构体系，共110层，总高443m，建筑面积约40万平方米。其外形为逐渐上收的。1～50层为9个方形筒组成，51～66层截去一对对角单元，67～90层再截另一对角单元，形成十字形，91～100层由两个方筒单元直升到顶。

6、金茂大厦

中国上海

建成于1998年

总高度达420.6m，共88层，现高度世界排名第三，亚洲第一。

7、纽约世界贸易中心大厦

纽约世界贸易中心由纽约和新泽西州港务局集资兴建、原籍日本的总建筑师山崎实负责设计。大楼于1966年开工，历时7年，1973年竣工以后，以110层、411米的高度作为摩天巨人而载入史册。它是由5幢建筑物组成的综合体。其主楼呈双塔形，塔柱边宽63.5米。大楼采用钢架结构，用钢7万8千吨，楼的外围有密置的钢柱，墙面由铝板和玻璃窗组成，有“世界之窗”之称。大楼有84万平方米的办公面积，可容纳5万名工作人员，同时可容纳2万人就餐。其楼层分租给世界各国800多个厂商，还设有为这些单位服务的贸易中心、情报中心和研究中心。在底层大厅及44、78两层高空门厅中，有种类齐全的商业性服务。楼中共有电梯104部，地下有可供停车2,000辆的车库，并有地铁在此经过、设站。第107层是瞭望厅，极目远眺，方圆可及72公里。一切机器设备全由电脑控制，被誉为“现代技术精华的汇集”。美国2001年9月11日8点45分，一架从波士顿飞往纽约的美国航空公司的波音767飞机遭挟持，撞到了纽约曼哈顿世界贸易中心南侧大楼，飞机“撕开”了大楼，在大约距地面20层造成滚滚浓烟，并发生爆炸。

9点03分：又一架小型飞机以极快的速度冲向世贸中心北侧大楼。飞机从大楼的一侧撞入，由另一侧穿出，并引起巨大爆炸。两起爆炸可能造成了数千人伤亡。

10点：世界贸易中心南塔在爆炸中轰然倒塌；

10点29分：纽约世界贸易中心北塔坍塌，这标志着闻名世界的纽约世界贸易中心两座摩天大楼不复存在。

8、帝国大厦

美国纽约，建于1929年－1931年，钢框架结构，共102层，连同塔楼高378m。1951年－1952年加装电视天线后，总高度达到449m。是第一个超过埃菲尔铁塔的建筑。自1931年建成至1971年，保持世界最高记录达40年。

9、香港中环广场

中国香港，建成于1992年，世界最高混凝土结构，高374m，共78层。10、中国银行大厦

中国香港，建成于1989年，混合结构，高368.5m，共70层，大厦于中国传统中认为的本世纪最

幸运的一天-1988年8月8日封顶。

11、阿莫柯大厦

美国芝加哥，建成于1973年，钢结构，高346.3m，共80层，大厦平面为边长59.17m的正方形，四角均有一个4.575m深的缺角，原表面为意大利卡拉拉大理石，后因其热胀冷缩变形过剧而成碟形，1990-1991年全部换为艾瑞山花岗石。

12、约翰汉考克中心大厦

美国芝加哥

建成于1969年俗称“大约翰”钢结构，高343.5m共100层。明石海峡大桥

明石海峡大桥是于1998年4月建成的世界上跨度最大的悬索桥。这座大桥架设在神户市和淡路岛北端之间的明石海峡上，大桥全长3,910米，中央支距长1,990米。在设计上，这座大桥既可抗震，又可抗风。这座大桥可以抗8.5级地震，而且在每秒风速为80米的暴风下仍然可以确保安全。由于大桥的建成，神户与德岛之间的所需时间由原来的3个小时缩短到了1小时40分钟。人们期望这座大桥能够对本州、淡路岛、四国经济一体化的广范围经济圈的形成和发展作出贡献。

日本多多罗桥

日本多多罗桥是目前世界上主跨最大的斜拉桥。该桥是日本本州—四国联络线上的一座重要桥梁，主跨890m，边跨分别为270m和320m，桥宽4车道；主跨采用带正交异性板及空气减阻装置的钢箱梁，梁宽25.3m，高2.5m，边跨采用预应力混凝土箱梁；塔高216.6m，为菱型。全桥共设168道斜拉索，每根斜拉索由