土木工程专业英语

第一课土木工程学

土木工程学作为最老的工程技术学科，是指规划，设计，施

工及对建筑环境的管理。此处的环境包括建筑符合科学规范的所

有结构，从灌溉和排水系统到火箭发射设施。

土木工程师建造道路，桥梁，管道，大坝，海港，发电厂，

给排水系统，医院，学校，公共交通和其他现代社会和大量人口

集中地区的基础公共设施。他们也建造私有设施，比如飞机场，

铁路，管线，摩天大楼，以及其他设计用作工业，商业和住宅途

径的大型结构。此外，土木工程师还规划设计及建造完整的城市

利乡镇，并且最近一直在规划设计容纳设施齐全的社区的空间平

台。

土木一词来源于拉丁文词“公民”。在1782年，英国人John

Smeaton为了把他的非军事工程工作区别于当时占优势地位的军

事工程师的工作而采用的名词。自从那时起，土木工程学被用于

提及从事公共设施建设的工程师，尽管其包含的领域更为广阔。

领域。因为包含范围太广，土木工程学又被细分为大量的技

术专业。不同类型的工程需要多种不同土木工程专业技术。一个

项目开始的时候，土木工程师要对场地进行测绘，定位有用的布

置，如地下水水位，下水道，和电力线。岩土工程专家则进行土

力学试验以确定土壤能否承受工程荷载。环境工程专家研究工程

对当地的影响，包括对空气和地下水的可能污染，对当地动植物

生活的影响，以及如何让工程设计满足政府针对环境保护的需

要。交通工程专家确定必需的不同种类设施以减轻由整个工程造

成的对当地公路和其他交通网络的负担。同时，结构工程专家利

用初步数据对工程作详细规划，设计和说明。从项目开始到结束,

对这些土木工程专家的工作进行监督和调配的则是施工管理专

家。根据其他专家所提供的信息，施工管理专家计算材料和人工

的数量和花费，所有工作的进度表，订购工作所需要的材料和设

备，雇佣承包商和分包商，还要做些额外的监督工作以确保工程

能按时按质完成。

???贯穿任何给定项目，土木工程师都需要大量使用计算机。计

算机用于设计工程中使用的多数元件（即计算机辅助设计，或者

CAD）并对其进行管理。计算机成为了现代土木工程师的必备品,

因为它使得工程师能有效地掌控所需的大量数据从而确定建造

一项工程的最佳方法。

???结构工程学。在这一专业领域，土木工程师规划设计各种类

型的结构，包括桥梁，大坝，发电厂，设备支撑，海面上的特殊

结构，美国太空计划，发射塔，庞大的天文和无线电望远镜，以

及许多其他种类的项目。结构工程师应用计算机确定一个结构必

须承受的力：自重，风荷载和飓风荷载，建筑材料温度变化引起

的胀缩，以及地震荷载。他们也需确定不同种材料如钢筋，混凝

±,塑料，石头，沥青，砖，铝或其他建筑材料等的复合作用。

????水利工程学。土木工程师在这一领域主要处理水的物理控

制方面的种种问题。他们的项目用于帮助预防洪水灾害，提供城

市用水和灌溉用水，管理控制河流和水流物，维护河滩及其他滨

水设施。此外，他们设计和维护海港，运河与水闸，建造大型水

利大坝与小型坝，以及各种类型的围堰，帮助设计海上结构并且

确定结构的位置对航行影响。

????岩土工程学。专业于这个领域的土木工程师对支撑结构并

影响结构行为的土壤和岩石的特性进行分析。他们计算建筑和其

他结构由于自重压力可能引起的沉降，并采取措施使之减少到最

小。他们也需计算并确定如何加强斜坡和填充物的稳定性以及如

何保护结构免受地震和地下水的影响。

???环境工程学。在这一工程学分支中，土木工程师设计，建造

并监视系统以提供安全的饮用水，同时预防和控制地表和地下水

资源供给的污染。他们也设计，建造并监视工程以控制甚至消除

对土地和空气的污染。他们建造供水和废水处理厂，设计空气净

化器和其他设备以最小化甚至消除由工业加工、焚化及其他产烟

生产活动引起的空气污染。他们也采用建造特殊倾倒地点或使用

有毒有害物中和剂的措施来控制有毒有害废弃物。此外，工程师

还对垃圾掩埋进行设计和管理以预防其对周围环境造成污染。

???交通工程学。从事这一专业领域的土木工程师建造可以确保

人和货物安全高效运行的设施。他们专门研究各种类型运输设施

的设计和维护，如公路和街道，公共交通系统，铁路和飞机场，

港口和海港。交通工程师应用技术知识及考虑经济，政治和社会

因素来设计每一个项目。他们的工作和城市规划者十分相似，因

为交通运输系统的质量直接关系到社区的质量。

渠道工程学。在土木工程学的这一支链中，土木工程师建造

渠道和运送从煤泥浆（混合的煤和水）和半流体废污，到水、石油

和多种类型的高度可燃和不可燃的气体中分离出来的液体，气体

和固体的相关设备。工程师决定渠道的设计，项目所处地区必须

考虑到的经济性和环境因素，以及所使用材料的类型——钢、混

凝土、塑料、或多种材料的复合——的安装技术，测试渠道强度

的方法，和控制所运送流体材料保持适当的压力和流速。当流体

中携带危险材料时，安全性因素也需要被考虑。

建筑工程学。土木工程师在这个领域中从开始到结束监督项

目的建筑。他们，有时被称为项目工程师，应用技术和管理技能,

包括建筑工艺，规划，组织，财务，和操作项目建设的知识。事

实上，他们协调工程中每个人的活动：测量员，布置和建造临时

道路和斜坡，开挖基础，支模板和浇注混凝土的工人，以及钢筋

工人。这些工程师也向结构的业主提供进度计划报告。？

社区和城市规划。从事土木工程这一方面的工程师可能规划

和发展一个城市中的社区，或整个城市。此规划中所包括的远远

不仅仅为工程因素，土地的开发使用和自然资源环境的，社会的

和经济的因素也是主要的成分。这些土木工程师对公共建设工程

的规划和私人建筑的发展进行协调。他们评估所需的设施，包括

街道，公路，公共运输系统，机场，港口，给排水和污水处理系

统，公共建筑，公园，和娱乐及其他设施以保证社会，经济和环

境地协调发展。

摄影测量，测量学和地图绘制。在这一专业领域的土木工程

师精确测量地球表面以获得可靠的信息来定位和设计工程项目。

这一方面包括高工艺学方法，如卫星成相，航拍，和计算机成

相。来自人造卫星的无线电信号，通过激光和音波柱扫描被转换

为地图，为隧道钻孔，建造高速公路和大坝，绘制洪水控制和灌

溉方案，定位可能影响建筑项目的地下岩石构成，以及许多其他

建筑用途提供更精准的测量。

其他的专门项目。还有两个并不完全在土木工程范围里面但

对训练相当重要的附加的专门项目是工程管理和工程教学。

工程管理。许多土木工程师都选择最终通向管理的职业。其

他则能让他们的事业从管理位置开始。土木工程管理者结合技术

上的知识利一种组织能力来协调劳动力，材料，机械和钱。这些

工程师可能工作在政府——市政、国家、州或联邦；在美国陆军

军团作为军队或平民的管理工程师；或在半自治地区，城市主管

当局或相似的组织。他们也可能管理规模为从几个到百个雇员的

私营工程公司。

工程教学。通常选择教学事业的土木工程师教授研究生和本

科生技术上的专门项目。许多从事教学的土木工程师参与会导致

建筑材料和施工方法技术革新的基础研究。多数也担任工程项目

或技术领域的顾问，和主要项目的代理。

第二课建筑物与建筑学

9

建筑物的目的是给人类的活动提供一个遮风挡雨的地方。从

穴居时代到现在，人类的第一需要最基本的就是有一个可以遮风

避雨之所。在一个比较一般的感觉中，建筑物的艺术包含人类试

图控制环境和直接自然力以满足需要所取得的所有成就。除建筑

物外，这种艺术还包括大坝，运河，隧道，沟渠和桥。

遮风避雨的建筑物的设计和其他功用的土木工程结构的设计

的科学基础原理是相同的。而只是因为现代社会特定的需要，这

两个领域才沿着不同的路径发展。相似的，关注作为遮风避雨的

建筑物的主要营造者也不再是一个单独的个体；相反的是由多个

专家组成的小组：规划师，建筑师，工程师和建造者。一个现代

建筑物的实现依赖这个小组集体的智慧。

建筑物的结构是建筑物的功能、环境及各种社会经济因素共

同作用的产物。公寓，办公大楼和学校的不同在于它们实现的功

能不同。公寓的每一个可居住空间如起居室和卧室必须有来自窗

户的自然光，而浴室和厨房可以采用人造光源因而可以安排在建

筑物内部。这种必要的设置对公寓的进深必然有限制。另一方面,

对办公大楼而言，人造光源更能达到均匀照明的要求，因此，对

自然光的需求不再有建筑物进深的限制。

环境可能影响到建筑物的形状利外观。城市里的学校通过使

用空白的围墙完全的封闭于城市之外，而乡村的学校可能发展成

为景观的一个主要部分，即使两者实现同样的功能。

最后，建筑物的结构被各种社会经济因素影响，包括地价，

租赁，工程预算，分区限制。城市的高地价造成高层建筑物，而

乡村的低地价造成低的建筑物。富人的住房建筑计划不同于廉价

的住房建筑计划。有威望的办公大楼的预算将大大地超过其他的

办公大楼。建筑物的大小和外形可能受到分区的限制。在所有这

些例子中，有着相似功能的建筑物常常采用不同的结构。

建筑学是建筑物的艺术。事实上所有的建筑学都是关于为了

人类的使用而围住的空间。在任何特殊的建筑物中所覆盖的精确

活动——广泛到从工厂的一条装配线到一个家庭的起居室——

应该规定几个内部区域的大小和形状。这些空间也必须被安排在

彼此合乎一定逻辑的关系中。此外，在建筑物中的人类活动——

建筑学中的说法是“流通”——需要大厅，楼梯和电梯，它们的尺

寸受到预期荷载的支配。建筑物的结构平面图，总是建筑师的第

一考虑，是深入实现建筑物意图的空间组织中的这些不同目的的

决定。好的平面组织可以指引访客到达他们的在建筑物中的目的

地并且使他们留下印象。他们也许是下意识地被大厦很显然的各

个单元的关联所指引。相反地，不好的平面组织将带来不便，浪

费和视觉混乱。

此外，一个结构需要很好地被建造。它应该有结构需要的和被

选材料允许的耐久性。建筑学的未经加工的材料，如石，砖，木,

钢或玻璃，部分决定了建筑物的结构并对建筑物进行表达。石

能抵抗压缩，尽管一起压挤的力几乎是不能确定的。在一个实

验室里压碎石是可能，但是对于实际应用，它的抗压强度则是无

限的。另一方面，石在抵抗各向拉力方面是很弱的。任何空间跨

度的梁在支承之间容易向下弯曲，梁的下半区承受拉力。由于石

承受拉力的能力很弱，这种材料的梁相对地比较短，并且支撑间

距比较小。此外，石柱必须坚固，其高宽比极少超过10。在石

类建筑中，门，窗及柱之间的空间几乎都被迫高大于宽，这源于

石的垂直矩形美学。石在西方世界建筑学中占有如此之高的统治

地位，以致，即使在木结构建筑时期其适当的造型一直被妥善保

护着，像在美国的乔治王时代。然后，石借助它本身的构造类型,

成为支撑楼板和屋顶的墙，成为承重结构中的密排柱，成为主要

承受压力的拱形结构。

木是一种纤维材料，相比其抵抗压力的能力而言，它更易于

抵抗拉力。木制梁可能相对比石制梁长，并且木制柱较细且可以

广泛地作一定间隔的排列。由于木的自然性质常形成宽大于高的

水平矩形，这在日本建筑学中常被见到。钢的抗拉强度也等于或

大于其抗压强度。已经观察过钢结构建筑物建筑过程的任何人一

定曾注意到由细的广泛地作一定间距排列的柱及每个楼板的长

梁所组成的水平格状矩形。木和钢的性质意味着框架结构———

个支撑楼板和屋顶的骨架——任何的铺面材料都可能是必需的。

木和钢也准许悬臂结构，在这种结构中，梁的投影超出支承的最

后一个测点。

最后，建筑学不仅必须超过符合强度和空间的实际需要，它

也一定要使人得到精神满足。建筑物应该使每一个零部件形成一

个美学的统一体。因此，结构的侧面和背面应该与正面具有足够

的一致性，可以使所有相关部分成为一个独立的整体。同样地，

大部分的内部分区也需要在外部设计上有所表现。正殿，甬道，

袖廊，半圆形壁龛，而且辐射哥德式大教堂的小礼拜堂，举例来

说，全部是在外部上看得见的，所以访客在潜在意识里意识到他

们将在里面找到什么。

???建筑要求有恰当的比例，即令人愉快的虚与实、高与宽、长

与宽的关系。人类已经作过许多尝试用数学公式来解释好多比

例，如黄金分割。然而，这些努力并没有被广泛接受，尽管在设

计各处透过一些尺寸（举例来说，一个模数是一个柱的直径一半）

的复测法已经收到很好的结果。这种复测法帮助提出了人类思想

渴望的可视规则。

???一个建筑物还应该有建筑师称作的比例尺，它应该能在视觉

上传达它的真实尺寸。如长椅、台阶或楼梯栏杆等元素，尽管由

于它们特别的原因在大小方面有些微可变，但仍然与人类的正常

尺度有关。

它们因此也几乎不可察觉地成为精确计量整个大厦尺度的测量

单位。因这些单位对整个建筑物而言太小，所以还需要其他中间

尺度的元素。楼梯和一个楼梯栏杆可能给门口的尺寸一个提示，

依次是柱廊的高度，最后是整个的结构廊。凡尔赛的PetitTrianon

在比例尺方面相当完美。罗马的圣彼得堡由于缺少小元素而让人

很难感知它的巨大。

虽然全装饰在一些现代的建筑中被拒绝，但它过去由于固有

的美或为了强调建筑物的一些重点而常被采用。装饰品可能用于

突出建筑物的特征和建筑物目的的可视化表现。因此，一个银行

要看起来像银行，一个教堂也应该同样地可以被立刻确认。理想

地，任何建筑物应该通过与它建筑上的邻居的一些关系和地方地

理学上看起来属于它的位置。

经过建筑学目的的成型，再受材料、比例和设计者给定的比

例尺和特征支配，建筑物成为建造它们的时代的理想的表达和热

望。历史性建筑学的连续性式样是他们的时代精神的化身。

的部分。

第三课建筑物的组成

?

材料和不同的结构形式联合组成建筑物的各种不同部分，包

括承重框架，外壳，楼板和隔墙。建筑物也有像升降机，供暖和

冷却，照明这样的与机械和电力有关的系统。上部结构是建筑物

地面以上的部分，而下部结构和基础则是建筑物地面以下的部

分。

摩天大楼的出现得益于19世纪的两大发展：钢骨架结构和旅

客升降机。钢，作为一种建筑材料，源于1885年贝色麦转炉的

引入。GustaveEiffel(1832-1932)将钢结构引入法国。1889年

巴黎展览会的塔和他为Galeriedes机械的设计表现了钢结构的

灵活性。艾菲尔铁塔高984英尺（300米），是人类建造的最高

的结构，直到40年后才被美国一系列的摩天大楼超越。

第一个升降机是在1857年被ElishaOtis安装于纽约的一幢百

货公司。在1889年，Eiffel在艾菲尔铁塔上安装了第一个大尺寸

的升降机，它的水力升降机能在一个小时内运送2350个旅客到

达顶点。

承重框架。直到19世纪晚期，建筑物外墙被用作支承楼板的

承重墙。这种结构本质上一种梁柱模型，并且仍然被用于房屋框

架结构。

承重墙结构由于需要巨大的墙厚而限制了建筑物的高度。例如，

芝加哥建于19世纪80年代16层的Monadnock大厦，较下层的

楼板下的墙厚达5英尺（1.5卷o在1883年，WilliamLeBaron

Jenney（1832-1907）采用铸铁柱支撑楼板的方式以形成笼状结构。

由钢梁和钢柱组成的骨架构造最早用于1889年。由于骨架构造,

围墙变成一个“幕墙”，胜于起支撑作用。砖石一直被用作幕墙材

料•，直到20世纪30年代，轻金属和玻璃幕墙开始被使用。在钢

结构引入后，建筑物的高度持续快速地增加。

???在二次世界大战前，所有的高层建筑都是采用钢结构。战后,

钢材的短缺和混凝土质量的改良导致钢筋混凝土高层建筑的出

现。芝加哥的Marina塔（1962）是美国最高的混凝土建筑。它的高

度达588英尺（179米），被伦敦的高达650英尺（198米）的邮政

大厦和其他塔式建筑所超越。

???关于摩天大楼构造观点的转变恢复了承重墙的使用。在纽约

城由EeroSaarinen于1962年设计的哥伦比亚广播系统大楼，有

一个由5英尺（L5米）宽，相邻柱的中心距为10英尺（3米）

的混凝土柱组成的环形墙。这个环形墙实际上有效地组成了一个

承重墙。产生这种趋向的一个理由是，采用建筑物的墙壁作为一

个筒体，可以非常经济地获得起到抗风作用的足够硬度。世界贸

易大厦是这种筒体方法的另一个例证。相反地，刚性框架或垂直

的桁架通常被用于提供侧向稳定性。

???外壳。建筑物的外壳由透明元素（窗）和不透明元素（墙）

所组成。尽管塑料正在被使用，窗传统上还是使用玻璃，特别是

在学校，破损产生了一个维护问题。用于覆盖结构并由结构支撑

的墙元素由多种材料建造：砖，预制构件，混凝土，石，不透明

玻璃，塑料，钢和铝。木主要被用于房屋建筑，由于有火灾的危

险，它通常不用于商业，工业和公用建筑。

???楼板。建筑物中楼板的构造依赖于所使用的基本结构框架。

在钢结构中，楼板或是搁置在钢梁上的混凝土板，或是表面附有

混凝土的波状钢组成的凹板。在混凝土结构中，楼板或是搁置在

混凝土梁上的混凝土板，或是一系列顶端有一个薄板双向都近距

离排列的混凝土梁，在其下部提供了一个多余的空间。这种类型

的板的使用依赖于支撑柱或墙间的跨度和空间的功能。例如，在

公寓中，当墙和柱的间距在12英尺到18英尺（3.7米到5.5加，

最常用的结构是无梁的实心混凝土板。这种板的下部可以用作其

下层空间的天花板。办公大楼中常使用波纹钢楼板，这是因为波

纹钢楼板的波纹当由另一块金属板盖上时，可以形成电话线和电

线通道。

???机械和电力系统。一个现代建筑不仅包括它所需要的空间（办

公室，教室，公寓），还包括帮助提供舒适环境的机械与电力系

统的辅助空间。在摩天办公大楼中，这些辅助空间可能构成总建

筑面积的25%。在办公大楼中，供暖，通风，电力和卫生管道系

统的重要性体现在工程预算的40%被分配给它们。因为使用带有

不能开窗的密封性建筑屋的增加，精细的机械系统被用于通风和

空调。渠道和管道携带来自中央风扇室和空气调节机的新鲜空

气。悬吊在上部楼板结构下面的天花板，隐藏着管道系统，还包

含照明设备。用于动力和电话通讯的电力配线，也被安置在天花

板空间内，或被埋置在楼板结构中的管道内。

???已经有种种尝试将机械和电力系统通过坦白地表达它们以

合并到建筑物的建筑学中。举例来说，在爱荷华州首府得梅因的

美国共和保险公司大楼（1965）,管道和楼板结构以一种有组织

利优雅的形式暴露在外，用吊顶进行分配。这种方法使得减少建

筑物的花费成为可能，并且可以允许改革，例如在结构的跨度方

面。

???地基与基础。所有的建筑物都支撑在地面上，因此，土体的

性质成为任何建筑设计中极端重要的考虑因素。基础的设计依赖

于许多土体的要素，如土的类型，土壤的层理，土层的厚度和它

的压缩性，以及地下水的状态。土壤很少有一个单一的成分。它

们通常是不同厚度土层的混合物。为了评估，土壤被按照颗粒大

小分为不同等级，它们从淤泥到粘土到砂到砂砾到岩石依次增

加。大体上，较大颗粒土的负载能力将会强于较小的一些。最硬

的岩石可以高达每平方英尺100吨（每平方米976.5公吨）的负

载，但是最软的淤泥所能承受的负载只有每平方英尺0.25吨悔

平方米2.44公吨）。所有表面以下的土都处在受压状态中，说得

更精确一些，这些土承受与作用在其上的土柱重量相等的压力。

许多土（除了大多数的砂和砾石以外）显示出弹性性质——在荷

载作用下受压变形，当荷载解除后可以回弹。土壤的弹性常常依

赖于时间，也就是说，土的变形可能发生在荷载作用后从数分钟

到数年的时间长度上。超过一个时段，如果建筑物作用在土体上

的负载高于土的天然压实重量，它可能产生沉降。相反地，如果

建筑物作用在土体上的负载小于土体的天然压实重量，它可能隆

起。土也可能在建筑物自重作用下产生流动，就是说，它很容易

被压挤出。

???由于压实和流动效应，建筑物趋向于沉降。例如比萨和博洛

尼亚的斜塔，不均匀沉降能产生破坏效果——建筑物可能倾斜，

外墙和隔墙可能产生裂缝，窗户和门可能够变得不起作用，并且

极端的情况是建筑物可能倒塌。尽管在某些极端条件下，像墨西

哥城的情况，能产生严重的后果，但是不均匀沉降并不是那么严

重。过去100年以来，那里地下水水位的变化已经使一些建筑物

沉降超过10英尺（3米）。由于这种运动能发生在施工工程中和

其后，仔细分析在建筑物下土的行为显得非常重要。

???土的巨大的可变性导致基础问题多样的解决方法。在地表附

近存在坚硬土时，最简单的解决方法是把柱放置在一个小的混凝

土板上（扩展基底）。土较软的地方，有必要将柱荷载传递到一

个较大的面积上，在这种情况下，则在整个建筑物底下采用连续

的混凝土板（筏或席）。地表附近的土体不能承载建筑物重量时,

木制，钢制或混凝土制桩被打入以加固土体。

???建筑物的施工工程自然是从基础到上部结构。但是，设计工

程则是从屋顶到基础（沿重力的方向）。过去，基础不依照系统

调查。科学设计基础的方法已经在20世纪内得到发展。美国Karl

Terzaghi的先锋研究，利用土力学和探测及测试程序技术，使精

确预报基础的行为成为可能。过去基础的破坏，像经典的例子

——比萨斜塔，已经变得几乎不存在。然而，基础仍然是许多建

筑物一个隐而昂贵

第四课高层建筑？

大体上建筑施工工艺学方面已经有许多进步，在超高层的设

计和施工上已经取得了惊人的成就。

高层建筑早期的发展开始于钢结构。钢筋混凝土和薄壳筒系

统已经经济而竞争性地被用于大量的住宅和商业目的的结构。由

于新型结构系统的创新和发展，现在从50到100层的高层建筑

遍布全美国。

更大高度的要求增加了梁柱的尺寸以使建筑物刚性更强，以

便在风荷载作用下建筑物将不会产生超过一个可接受限度的摆

动。过度的侧移可能导致隔墙，天花板和其他建筑细部的重复性

损害。止匕外，过度侧倾可能使建筑物的居住者因为对摆动的知觉

而导致不便。钢筋混凝土和钢结构系统，能充分利用整个建筑物

固有潜在的劲性，因而不需要额外加劲以限制侧倾。

例如，在一个钢结构中，经济性由建筑物房屋面积每平方英

尺钢的全部平均数量来定义。图一中的曲线A采用层逐渐增加

的数量表现传统框架的平均单位重。曲线B则表现框架受到所有

横向荷载保护下的平均钢重量。上下边界之间的间隙则表现传统

梁柱框架为高度付出的额外费用。结构工程师已经发展了可消除

这一额外费用的结构系统。

钢结构体系。因为一些类型的结构改革，钢高层建筑物得到

了发展。此改革被用于办公大楼和公寓的建造。

带有刚性带式桁架的框架。为了将一个框架结构的外柱约束

于内部的垂直梁架，可能在建筑物中部和顶部采用一个刚性带式

桁架的系统。这一系统的最好例证是在密尔瓦基的威斯康辛州第

一银行建筑物（1974）。

框架筒体。只有当建筑物突出地面的所有的柱构件能够彼此

连接使整个建筑物成为一个空心筒体或一个劲性箱体时，一幢高

层建筑的整个结构才能最有效。这种特殊的结构体系第一次大概

是用于芝加哥的43层楼高的德威特栗木钢筋混凝土公寓。而这

一系统最重要的应用是纽约的110层楼高的世界贸易中心的钢

结构双塔。

对角柱桁架支撑筒体。建筑物的外柱可以被适当的分隔却仍

能通过在梁柱中线处交叉对角构件连接使之作为一个筒体而共

同工作。这种简单而又极其有用的系统最早被用于芝加哥的约翰

汉考克中心，其仅仅使用了传统的40层楼高建筑的用钢量

组合筒体（束筒）。由于对更大更高的建筑物的持续需求，框

架筒和对角柱桁架支撑筒可能采用组合使用的形式以创造更大

的筒，并仍可以保持高功效。芝加哥110层楼高的西尔斯瑞巴克

总部有9个筒，由三排建筑物组合而成。一些个别筒体终止在建

筑物不同的高度，证明了无限建筑可能性的结构观念。西尔斯塔

高1450英尺（442m）,是世界上最高的建筑。

???薄壳筒体系。筒结构体系的发展提高了高层建筑抵抗侧向力

（风和地震作用）和飘移（建筑物的侧向运动）的能力。薄壳筒

使筒结构体系有了进一步的发展。薄壳筒的进步是利用（高层）

建筑的外表面（墙和板）作为与框筒共同作用的结构构件，为高

层建筑抵抗侧向荷载提供了一个有效的途径，而且可获得不设柱

子，节省成本，使用面积与建筑面积之比很高的室内空间。

???由于薄壳表面的作用，筒体的框架构件数量减少，使得结构

更轻，费用更少。所有标准柱和外墙托梁都采用标准型钢，使得

组合构件的使用和花费最小化。四周外墙托梁的深度要求也被减

少，而且楼板上的顶梁对有用空间的占用会达到最小。这种结构

系统已经被使用于54层楼高的匹兹堡的梅隆银行中心。

???混凝土体系。虽然采用钢结构建造的高层建筑开始很早，但

是钢筋混凝土高层建筑的快速发展在办公大楼和公寓方面对钢

结构体系产生了很大的挑战。

???框架筒体。由上面讨论到的，高层建筑最早的框架筒体概念

应用于43层楼高的德威特栗木公寓。在这一建筑物中，外柱以

中心距为5.5英尺（168米）的间隔排列，内柱则用于支撑8英

寸厚的混凝土平板。

???筒中筒。另一个用于办公大楼的钢筋混凝土结构体系是将内

部框架筒体与传统的剪力墙工艺相结合。这种体系由间距很小的

柱子构成的外框架筒与围绕中心设备区的刚性剪力墙内筒组成。

这种被称为筒中筒的体系使设计目前世界上最高（714英尺或

218米），总费用只相当于传统35层楼高的剪力墙结构体系的轻

型混凝土建筑（52层楼高的休斯顿的壳广场建筑）成为可能。

???结合混凝土和钢的体系也得到发展，这方面的一个例子是由

Skidmore,Owings和Merrill发展的复合体系。它是采用间距很

小的混凝土外框架筒包围钢框架内筒组成，因此兼有钢筋混凝土

和钢结构体系的优点。在新奥尔良的一个52层楼高的壳广场建

筑便是以这一体系为基础。

第五课环境工程

?

环境工程是有关由结构，机器，系统和人类的活动引起的污

染的一个工程分支。文明的发展已经引起许多地球生态系统的紊

乱，造成空气，陆地和水的污染。环境工程师的责任不仅在于设

计系统以缓和这一污染，而且还需要教育人们保护他们周围的

环境免受其他污染。环境工程的实践被划分为以下各种不同层

次。

水质处理。在许多情况下，河流，湖泊和海洋已经被由住宅,

商业，和工业源点排放的液态废料污染。这些水体许多已经由于

20世纪70年代的一次运动被开垦装配上新的废水处理设备并且

一些旧的设备也得到了改良，可以采用物理化学和生物学方法从

液态废水中除去污染物。有机物使河流和湖泊中的氧气耗尽，并

因此导致鱼类的死亡和有毒的臭气。

物理化学和生物学工序可以取去大量的有机物，连同来自废

弃河流上漂浮的浮渣和滑脂。化学消毒可以使废弃河流中的细

菌，病毒和原生生物钝化。物理化学方法用于除去废弃河川中的

固体化学物，所用的方法有过筛，砂和砂砾分离，化学凝结和单

纯沉淀。生物学方法有加菌滤渣，接触塔和生物圈。

这些处理方法应用到住宅，商业和工业废水上，已经降低了

许多河流，湖泊和海洋的污染程度。然而，大部分地区存在着清

理不完全的情况。在许多其他地区的暴风雨期间发生未经处理的

卫生废污和大量废水的无限制排放。这些排放物来源于携带卫生

废污和大量垃圾的管道。在暴风雨期间，陆地上的杂质混合着管

道里的卫生废污，并且废水量超过了管道的承载量；在它能到达

废水处理设备前，这一混合物的部分就流了最近的水体。通常，

建造一整套全新的分开卫生废污的管道价格太昂贵。但是，一些

都市，像芝加哥，已经开始采用建造一个能在暴风雨期间储存大

量流量的深地下隧道，废水可以合理的速率进出处理设备的系统

来解决这一问题。

在那些废水一定会进入湖泊和干的河川的地方，必须采用更

高水平的处理措施，包括营养物和胶质物的除去。物理化学和生

物学处理方法被用于废水的处理。此外，在生物方法处理后，化

学制品被用于营养物的沉淀，和紧接着固体残留物的凝结和过

滤。在一些情况下，粒状的活性碳或膜被用于废弃河川的附加净

化。因为任何可见的污染对水域的形状产生的破坏，所以这种更

高水平的处理是可取的。此外，这种处理还可以对水域上由营养

物磷和氮引起的潜在的富营养化效应起防止作用。

对于有废水排放而下游又用于饮用水源的河流，需要特别注

意的不仅有废污中有机物的排除，还有使微生物钝化进行的消毒

程序。还需要关心的是来自工业生产的有机化学污染物或者沿河

农田使用的杀虫剂和除草剂污染的河〃I

世界上比较普遍的是对排入河川的废水进行间接的重复利

用。同时，只要排放物经过适当的处理，并且有机化学污染物被

消除，也是可以被接受的。比较不可接受的是直接重复使用废水

作饮用的用途，甚至是在高度处理之后。最关心的则是疾病爆发

的可能性。但是，一些国家，像以色列，出于需要做试验，在物

理化学处理前通过在成熟作用的地沼中长时间储存废水来重复

使用。重复使用废水，紧接着进行可取的处理，再用于农作物的

灌溉和为高尔夫课程浇水，这种方法已经变得相当普遍和可接

受，尤其是在干燥性气候下。此外，某些特定地区如那不勒斯，

佛罗里达和欧文，力口州，已经装配双重的水系，一方面处理过的

废水用于户外住宅，商业，以及消防用水等用途，另一方面保留

高质量的水用于潜在的需要。在其他的情况，大型工业产业直接

从河川中取水用于工业上的冷却。

废水固体物质处理。从废水中通过物理化学和生物学方法分

离出来的有机和无机的固体必须进行脱水，采用生物和化学方法

使之稳定,并且需掩埋在受约束的垃圾场，焚烧或者堆制成肥料。

有些固体不一定要脱水，而是能直接应用到陆地的一些环境，接

着是生物稳定过程。可以举出很多这样的例子，如在密尔瓦基，

威斯康辛州，固体被加工作肥料。

不幸的是，在世界的许多地方，包括美国的东海岸，固体废

物既不是再生作陆地也不是焚烧作能源，而是用船或者管道运送

到大海再直接向海水中倾卸。我们希望这种做法会被废止，而焚

化作能量供应以及堆制成肥重复利用于土地将会代替海洋倾卸

处理。在固体废物堆肥的地方，有毒的和重金属必须在源点被除

去。

处理废水中的固体废物的方法有挤压，皮带，离心分离机以

及流化床火炉脱水。已经受到相当注意的另外一种方法是容器堆

肥。

垃圾处理。在陆地上的废物和垃圾的不加选择的倾卸已经引

起严重的污染问题。垃圾处理可以控制在一个设计和操作很好的

垃圾掩埋场，而且这可能是特定的小社区的一个适当方法。然而,

在中型和大型社区用于垃圾处理的土地正在严重缩减，而且垃圾

堆肥在陆地上的重复使用可能已经被限制应用。对大多数社区适

当的系统似乎是垃圾的焚化，通过燃烧有机材料来回收能量。来

自热反应堆以及废水处理厂焚烧固体废物的火炉的空气发生发

射系统必须设计成能防止化学品和微粒子空气污染。这些空气发

射系统包括静电沉淀和加力燃烧室。

有害废物处理。不幸的是，由于来自工业和商业活动以及公

众代办站的长期非法倾卸和洗涤，乡间和地下水已经变得混乱并

且被污染。来自倾卸处理地的废物储存容器的去除必然地是个很

慢的方法，并且一个经核准的处理基地必须存在并发展。被污染

的土壤和地下水的净化是个更慢的方法，净化工艺必须被设计并

实行。例如，被有机化学物污染的水应慢慢从蓄水层中抽取，然

后通过空气脱膜或粒状活性碳吸附作用除去污染物。经净化后的

水再回注入蓄水层，这个工程则需要数年才能完成。在一些情况

下，这可能是不便的，因为这对那些必须使用这些地下水作饮用

供给的社区，会造成健康危害。

空气污染控制。柴油驱动的卡车和不受限制的汽油机使环境

中废烟增加，工业烟囱则带来污染。在美国，1987年环境保护

组织出版的统计表显示，每年有磅（公斤）的有毒化学品被释

放到空气中，当一亿人居住的时候，其他的空气污染物主要来自

于汽车，超过联邦标准。像洛杉机这样的大城市的地方烟雾则由

各社区的活动引起。在美国中西部由工业烟囱排放的废气引起的

酸雨降落在了东北部和加拿大的森林和湖泊上。

虽然已经做了很多空气净化的尝试，但是解决的行动还是受

到很大的限制。工艺学上可用于除去空气中的颗粒物质和化学污

染物的方法是可用的（例如多样性火炉，流化床反应堆以及究竟

久经考验的空气发射技术），但是代价昂贵，并且过程缓慢。

饮用管理。安全高质量的饮用水的可用性是现代文明中一个

重要的要素。

???源点。通过撤回来自河川的饮用水的间接废水利用是一个可

行并且经济的供给社区饮用水的方法，特别是在滨水地区。水必

须经过消毒处理以使微生物污染物钝化，还必须进行物理化学处

理以除去有机和无机污染物。

???其他的饮用水源是自然湖泊和水库。它们往往优于河水，并

且它们可作多重用途，如给排水和水力电气的动力。这些湖泊的

部分区域的受限制的娱乐使用是很寻常的。

???地下的蓄水层是一个饮水的通常源点，并且其质量相当高，

除了那些化学污染已经发生的地方。在世界的一些地区，蓄水层

能被开垦的地表水回灌。

???在世界许多地区的一个严重的问题是在低降水和降雪期间

纯净饮水的短缺。一场大规模旱灾发生在1989年美国东海岸的

春天。在旱灾中出现水资源短缺的两个原因是：许多饮水供给系

统没有能计划充分以应对旱灾；相对低的水价使大量水被浪费。

???质量。必须审慎选择最纯净的水用于饮水，如地下水，泉水,

或高地湖泊，然后对其源点进行强制性保护。预防地下水的化学

污染是极其重要的，其可以通过明智的控制地表水沿岸的使用来

实现。湖泊能被用于娱乐及水源。然而如此的混合应用需要作很

好的计划。

???供给水的净化与分水岭的规划和控制一样重要。在源点质量

相当好的地方，化学消毒，凝结，过滤就足够了。如果水是来自

含泥量多并遭受有机物污染的河川供给，则需要额外的处理措

施。在20世纪80年代，净水工艺有了大幅的进步。臭氧已经成

为一种消毒剂的选择，因为它是对细菌，病毒和原生动物消毒的

最有效的消毒剂，并且它不像氯，当水中存在有机物质的时候，

它不会形成致癌副产物。经济内嵌或直接的过滤可以用于净化许

多高地供给。和臭氧结合，这种方法对许多未过滤水供给是能适

用的。粒状的活性碳可以除去水中产生味道和气味的物质，并且

能吸收有害的有机化学物质。

???对自来水污染最后的屏障是配水系统的小心管理。化学制品

能被添加到已净化水中以抵消系统的腐蚀状态，如此可大大减少

铅管系统接合处对铅的滤去量。而且水管能填塞水泥砂浆并保持

奔流以预防脏水。

???其他方面。环境工程学可以用于区域性问题的解决。变得富

营养化和藻类繁盛的池塘和湖泊不能被用于娱乐，并且这水如果

被用于饮用可能是有害的。海港处水的无差别的处理和随之发生

的海滩污染能通过适当的规则和强制执行来预防。最后，还必须

发展对景观地废物的最佳处理方法。

第六课：取暖，通风，和空调

取暖，通风，和空调系统是环境工程的主要方面，就最新的

概念而言，他包括建筑工程的所有方面：比如说给排水工程，隔

音工程及室内布置工程。环境工程的概念就标志着建筑的所有因

素都有着内在的联系。取暖可由照明设备提供，举个例子：管道

是影响空调系统的重要因素，同时，它也能影响结构的设计。

虽然目前有条文对建筑的种种限制，但是这个科目还是被延

伸到交通工具中，如：大客车，飞机，轮船，航天器和潜艇。这

些都有着很高的特殊要求。取暖，通风，和空调系统在目前的背

景下，将被定义为控制一个封闭空间的环境这一普遍的关系。除

了使人安逸的设备外，许多工业进程都依赖着一个稳定的大气

层，如此以来，工程的分支则覆盖了一个相当大的应用范围。取

暖系统涉及到提高温度以达到高温环境。通风系统则涉及到提供

新鲜空气和抽出那些被污染或含有杂质的空气。空调系统则包括

了取暖和通风系统的功能，而且还增加了降温功能，调节湿度和

洁净空气，过滤灰尘，细菌和空气中的杂质。

在历史上，人们生火在自己周围取暖是最容易做到的，而且

无疑的是木材是最初的燃料。首先在洞穴中，由石器时代遗留下

来的炉边可以说明，后来就在泥土或是草地上生火。

发现木炭可以由木材制得，而且是一种无烟的燃料，这被看

作在适当的地方的一个简单的进步，那些地方仅仅需要适度取

暖，如中国，日本，以及地中海沿岸。

另外一个进展就是气孔和烟窗的出现。首先是在屋顶中央开

个简单的孔，而后来则连着壁炉，这种发明源于欧洲13世纪。

烟和汽水将不再蔓延于生活空间。

火炉在公元前600年在中国出现并使用。它比壁炉更节省热

量。火炉从俄罗斯传到德国和欧洲的大部分国家。及到今天它还

在被使用，而且还是一家人的焦点地方。火炉有横过大西洋进入

美国，在那里，本杰明・富兰克林于1744年改进发明设计，但其

先行者却是那些传统的大腹便便的火炉。

将近于18世纪末期，首先对壁炉进行科学精制好像归功于物

理学家本杰明.汤姆生。计算rumford。他的目的是在使用耐火粘

土团和使用罩盖时提高明火的使用效率。这两项设计减少了总的

辐射热量。由于他的想法并没有被接受，而导致严重的燃料浪费

持续至今。

在烧火加热的同时对外部空间加热，这在现在被描叙为中央

取暖系统，由希腊Lacedaemonians发明，并且第一个使用到加

热楼板中。在城市Ephesus中的大神殿被认为使用褐煤作为燃料,

将暖气通过气孔导入地板中。

虽然希腊人认识到集中取暖的优点，但是罗马人才称得上古

代最伟大的供暖技师。他们发明了独特的火坑供暖系统。地板提

升了底座，热气从熔炉中被导入地板下面空间。暖气通过埋在墙

里的中空的赤陶导管。这一系统在整个欧洲都可以找到，可见当

时罗马文化的繁荣O在意大利，火坑供暖装置仅仅应用于浴室内。

在凉爽的地方如英国，则不仅仅应用于浴室，也用于起居室，和

有时需要取暖的一些房间里。

如此科学技术的发展和精炼随着罗马帝国的衰弱和城市的毁

灭而终止。那些黑暗时期似乎又回到了原始生活。城堡和住宅使

用那些如同原始人类一样粗糙地取暖，在通风良好的大厅的石板

上用原木燃烧取暖。依旧用庞大而沉重的兽皮保暖，这样持续了

1500年后，舒适的罗马的火坑供暖系统被重新发现并用于现代

城市。

在18世纪和19世纪初的工业革命出现了以蒸汽机作动力。

这也提供了新的取暖方法。最初用于工厂和磨坊。蒸汽在导管中

输送被大规模用于取暖而不仅限于工业需求，还可以为学校，教

堂，法院，议会大厅，甚至家庭和园艺的温室提供暖气。

蒸汽表面非常烫，导致在空中有烘烤似的作用，常常伴有燃

烧残骸一般的异味，而用热水的优点在于有一个比较低的表面温

度和比蒸汽更温和一般的影响。它在1830年被接受。

第一套热水取暖系统安装在伦敦的新西大教堂医院，用这种

方式取暖时，热水在低压下能不断地流向主要的地方。它利用散

热器，对流暖炉，插入地板及天花板的取暖系统，用扇子将暖气

分配到不同的地方的方法。

在1831年，英格兰人JocobPerkins获得高压热水系统的革新

方法的专利权。这种系统就是通过一个卷成圈的连续循环的坚固

导管接收从暖气炉的热量，运输水在一个封闭的系统绕圈配置在

建筑中，在弯管中循环流动。这一系统获得了相当大的推广。尽

管它具有很高的温度，他的装备比那些用于低压设备中的大而重

的铸铁导管相比显得小而整洁。高压热水的原理它已经在一个现

代的系统中复兴，它首先遍布欧洲，后来传向其他各地，主要用

于工业取暖。

大概直到19世纪才产生对封闭空间采取某种形式诱导通风的

需要。那时所建的集会礼堂，剧院，教堂要容纳数百甚至数千人。

在工业中，一些改良蒸汽的气压在汽油灯工作间的磨坊中作为动

力，来抵消那些增大的却作废的比例。

矿井在最早时期的通风技术是采用在其通风口的最底部用暖

气炉燃烧。而一些建筑的最初通风系统就起源于上叙方法。例如:

重建于1837年的伦敦NewHouses国会厅。会场的空气排出便采

用焦碳燃烧的方法。早高高的通风口的最底部空间不停地保持燃

烧。那些保留哥特式建筑的外形特征的建筑却不再使用通风口。

新鲜空气从河岸的通风口吸入而室内空气通过出风口穿过国会

大厅地板下的隧道而被导入泰吾士河中。

虽然旋转式的电扇早在16世纪就发明了，但从18世纪在工

业中安装了蒸汽机驱动风扇以来，一直没有找到一种方便的动力

供给，直到无所不在的电流的出现。

压力通风系统是一种早期通风道中的蒸汽管加热空气把供热

和通风结合起来的方法。其压力也是由蒸汽驱动的鼓风机提供。

热空气在压力的作用下通过管道被运输到建筑物的各个部位。学

校，医院和工厂都是采取这种方法取暖的。

蒸发冷却可能最初出现印度。在那里人们把湿的草席挂在向

风一边的空地上，结果可以冷却至11到17摄氏度，席子可以手

工保湿或在它上面穿孔，这样的系统利用了空调的一个最基本的

原理。

“空调”这一专业名词的出现归功于StuartW.Cramer,他在

1907年向美国棉花制作商协会提交了一个关于纺织工厂湿度控

制的论文。控制纺织品的潮气等同于在大气中增加水蒸气，这很

早就被认为是空调，但它却不是。不过直到1911年，当Willis

Carrier出版了他多年来的研究成果后，具有科学基础的空调诞生

To

从空调的发展历史来看，从生产质量到空调设备一步，在19

世纪20年代大剧院，大商场，和办公大楼上都安装了空调设备。

空调的经济价值是显著的。空调的发展成为一个主要的工业。不

过我们期待更新的冷却技术的出现。

在19世纪末期，取暖和通风系统的设计很大程度上是凭经验，

科学方法的发展在19世纪90年代得到了改变，一战前，研究工

作是由Belin-Charlottenburg大学和其它的一些部门担任。战争过

后，许多国家都开始了研究，尤其在联合王国，美国，德国，瑞

典和法国，所有的这些研究，使现代空调的影响不断提高。

第七课桥梁

?桥梁是跨越如河流、山谷这样障碍的一种建筑，从而提供交

通便利，到目前为止，大部分桥梁都是公路桥或铁路桥。大量的

高架桥于19世纪在欧洲建成，目的是保持其运河中船舶的航行。

最小的一座桥在纽约市的肯尼迪机场，它主要是把滑行飞机拖到

跑道上服务的。

人类建成的第一座桥类似于原始人在孤立地带建成的。早期

人类的工具和建筑技术如同原始人类一样都是最初级的。他们只

要经过最少的加工和安装即可建成。

在森林里，随处可得结实的木材和圆木，那时侯的桥极可能是由

一根或并排的几根圆木建成，可能在其上覆一些木枝或草垫以方

便行走。

处于热带地区的印度、非洲、和南美洲纤维藤被用来建成悬

索桥，这些藤被系在小河或山谷两边的树上或岩石上。一根或更

多的藤被踩在上面行走，其它的则排列在膏腴几英尺的地方，用

作手扶用。虽然藤索桥通常不稳定。但有很多用incas建成藤索

桥有足够的坚固和稳定性，被用于西班牙士兵和它们马匹的通

行。

在岩石地区，石头被用来建桥，横跨河流以很小的间距布置

石碓作为桥墩，然后用平坦的石头横过相邻的桥墩就建成连接两

岸的通道，大部分的石桥就是这种类型，叫做鼓掌桥。现在在

Dartmoor.英格兰仍然可见，不过它们都建于中世纪甚至更晚。

原始桥梁的第一步变革被认为出现在中国古代，随后传入印

度。河床一般比树要宽，中国人和印度人在河流的中央建成两个

树桩。在这个结构的两端，用圆木的一端架在树桩上并微微向上

倾斜，使其每一层都比它下面的高几英尺。为了增加稳定性，每

个木桩在两岸都用一堆大而重的石头锚固；接近河中央，在河中

间的两个木桩的两端则用简支梁连接。在这种结构中，天然支架

桥在两个自由杆的中间加桩后可达到很宽的跨度。

早在公元前4000年的Mesopotamia和在公元千3000

年的埃及，用石头或日光烤干的砖被用来安装重叠的横梁。这种

结构看起来像的拱，下部更平稳，被叫做突拱。要使突拱变为更

直的拱，它需要石头的内部构造适合光滑。这种直拱比突拱更坚

固，且早在公元前500年就被使用。

这种直石拱具有经济和经久耐用，它可以由许多静止在码头

上的拱而跨过小的河流。并且，它一般会经常出现，而它的质量

比先前的任何结构都要好。在中国和罗马的古代，这种整体石拱

被广泛地用于桥梁结构。它一直被广泛地使用直到19世纪。

这里有4类基本结构可以用作水面上的或障碍物上的桥：刚

架桥、悬臂桥、拱桥、和悬索桥体系。

刚架桥最简单也可能是最早使用的-即刚架桥河流。这样它的

两端固定在相对的河岸。这种刚架桥可以组成某种形状的木梁、

钢筋混凝土梁或更复杂的约束。刚架桥这种类型的桥的跨度可以

采用在中间建桥墩或在峡谷建搁栅撑，再用几根横梁连接起来而

增加跨度。刚架桥的材料必须能够承担压力和拉力。尽管它的名

字叫曲梁，但实际上这种具有双重要求的杆能用于刚架桥上。结

果，梁弯曲较高的部分的压力比直的部分低一半以上，如果他的

受压承载力太弱，它将会成扣环，如果受拉承载力太弱，他将会

破坏。

悬臂桥在利用中间桥墩的长跨距桥中它通常是不可行的桥梁

结构。举个例子，在深而流速急的河流或软泥中，可能很难建桥

墩使它有足够深度达到基岩层。在这种情况下，刚架桥结构用两

根横梁就可以延伸从每岸伸出一根梁，而在两根梁的端部

基础进行锚固。这种简单的刚架桥结构更具有静定性，而每一根

锚固的梁的这种基础结构就叫悬臂桥，或许这种最简单而熟悉的

悬臂桥例子便是跳水板。在普通的悬臂式桥梁中，悬臂梁端部之

间的间隙是闭合的，为道路提供了连续的桥面。但是假如把这种

桥梁在其闭合点断开，那么每一根悬臂梁都不需要另外设置支撑

而可保持稳定。通常悬臂梁中间间隙是闭合的既是刚架桥。如此

却使悬臂粮延伸了跨度。

悬索桥在没有中间桥墩的情况下比悬臂桥跨越更大的距离。

悬索桥的支撑体系是靠连续可弯曲的缆绳的两端的锚固，悬索桥

最简单的例子是杂技场高空走钢丝杂技演员用的钢丝。原始的悬

索桥常常是一把很小的几根这样的钢丝系在一起来提供扶手和

立足点的。在水平公路上的现代悬索桥则是由缆绳悬吊在车行道

两边的下面。

拱桥则是相反于悬索桥的作用，在那些悬索桥缆绳自由的提

供支撑力的地方，拱桥却是从它的两端支柱固定的向上弯曲。由

于在形状上的不同，悬索桥的缆绳的各点都趋向拉伸而拱桥的支

柱的各处都趋于挤压。由于这些原因，悬索桥的缆绳必须尽可能

的防止延伸，饿拱桥材料则尽可能地抵抗压缩。因为拱结构不一

定要求材料具有抗拉强度，所以拱桥可以用砖或石头建造，砖或

石头通过拱传递压力的特性结合在一起。这种材料在其它的基本

桥梁结构中却毫无用处。

在拱桥中，荷载由公路上垂直传递下来，直到拱形遭到破坏。

当拱遭到纯压而达到临界荷载时，便会改变力的传递路径。有压

缩力的推力通过节点或墩传到地面。拱这种简单而优美的结构成

为桥梁中的一种基本结构。

八课：桥的设计与构造

规划现代重要的桥梁建造的第一步是广泛地研究确定桥梁的必

要性。比如：如果是高速公路桥，在美国则是由州桥管理局研究

规划并确定，在程序上会同当地的政府或联邦政府一起，对主要

公路桥梁进行评估研究。如在接近高速公路网上减少交通堵塞，

对当地经济的影响和桥的造价。这就决定了工程的投资方式，如

公众收费，发行债券或支付过桥费都被考虑进来。如果研究认为

其可行信，那么桥选址和占地问题将着手处理。在这一点上，现

场测绘工作开始进行，做好精确的实地测量；潮汐，洪水因素，

水流和水路上的其他的特征都要仔细研究，在陆地和水下的泥土

和岩石的钻孔取样都尽可能地在基础处进行。

??桥梁设计的选择决定把桥建成梁，悬臂，桁架，拱，悬索或

其他类型结构的主要因素是：（1）地点，如跨越河流；（2）目的，

如建桥为了方便交通；（3）跨度；（4）可用的材料；（5）花费;

（6）美观和和谐性。

??在一定范围的跨度内，每种结构的都有最大的作用和经济。

如下表所示：

9

桥的类型最佳跨度

英尺米

梁桥20到10006.1至U304.8

刚架桥80至I」30024.4至U91.4

拱桥200到100061.0到304.8

桁架桥200到140061.0到426.7

悬臂桥500到1800152.4到548.6

悬索桥1000到5000304.8到1524.0

上表表明了许多类型的适用性有相当多的重叠。在一些实例中，

在不同的初步设计中，用来比较不同类型的桥结构是为了在最后

有最好的选择。

?材料的选择桥梁设计者能选用大量的现代高强材料，包括混

泥土，钢筋，和多种耐腐蚀的合金。

?拿Varian-Narrows大桥来说,设计者使用了七种不同的合金钢,

其中之一的合金的屈服强度为50000英镑每平方英寸(3115kg/c

m2)，而且不需要油漆保护，因为有一种氧化膜覆盖在它的表面

而防止腐蚀。设计者还选用钢丝绳作为缆绳，它的抗拉强度超过

250000英镑每平方英寸(17577kg/cm2)

???抗压强度高达8000英镑每平方英尺(562.5kg/cm2)的混泥

土现在被生产用作桥梁工程，而且它在增加特殊化学物质后具有

很高的抗脆裂性能和抗风化性能，这种混泥土被用作预应力性，

而且其加强了钢丝绳的抗拉强度，其强度达到250000英镑每平

方英寸(17577kg/cm2)

???桥梁的其它使用材料还铝合金和木材：现在的铝合金的屈服

强度超过了40000每平方英寸(2818kg/cmD。把木材碾成细长

的薄片，然后用胶水粘在一起而做成的梁是自然木材强度的二

倍。例如用南部松树而胶结的梁能承受的工作应力达到了3000

英镑每英寸(210.9??kg/cm)。

????应力分析一座桥要抵抗一系列的合力，如拉力，压力，剪

力和扭力。另外，结构还需要一定的安全储备一保不足。对结构

进行精确计算各种单独的压力和拉力，这就叫应力分析。这或许

是桥梁建设中最复杂的技术。应力分析的目的是为了确定作用在

结构上的里的数量。

????作用在桥梁结构的应力都可以分为二类荷载：动荷载和静

荷载。静荷载——即桥结构本身不变的重量——它往往也是最大

的荷载。动荷载或静荷载有很多，包括桥面上的机动车，风荷载,

和积冰积雪荷载。

????虽然随时在桥面上移动的机动车的总重量相当于静荷载和

动荷载来说是一个很少的部分，而对设计者来说，因为机动车辆

产生的振动和冲击压力而会出现特殊问题。例如：在路面上机动

车的不规则的运动或碰撞对桥面产生短暂而影响加倍的活荷载

而导致严重的影响。

????风在桥上的施加的里即直接敲打桥结构又间接的敲打在桥

面上的通行的车辆。如果出现空气弹性振动，在这种情况下的

TacomaNarrows大桥的风作用被大大地增大，由于这种危险的存

在，桥的设计者在桥址必须知道所能发生的最大的风。还有其它

的力作用在桥上，如：地震产生的压力也必须注意。

???对桥墩的设计通要给予特殊的关注，因为桥墩承担水流，浮

冰和漂浮物而产生的重荷，桥墩通常还有被船撞击的可能。

???电脑在应力分析上协助桥梁设计者，并扮演一个很重要的角

色。用一个精确的模型试验，尤其对桥的动力的活动状态的研究

也可以帮助设计者。一个小比例的桥模结构中，对桥模各处的应

力，加速度和变形都可以进行精确测量。桥模这时可以承受同样

比例的荷载和动力条件来分析桥的变化。风洞试验也可以确保不

再发生TacomaNarrows大桥的失败。在现代技术的帮助下，桥

梁事故出现的机会将大大少于以前。

建筑基础建筑物都是从基础开始的，基础的花费几乎大大超过

上层建筑。水下基础通常会遇到很大的困难，有个古老的方法常

被用于浅水中，即在小范围内垂直围堰而建桥墩。罗马人常用这

种方法。

在深水中建基础一般用沉箱法。沉箱是一个底部开口其余封闭的

大盒子而沉入河床上，工人们在为挡水而充满压缩空气的沉箱

里，越挖越深，沉箱也跟着下沉。当达到合适的深度后在箱内填

入混泥土而成为基础。

在深水中建基础的另一种方法比沉箱法更安全和更低的成本，用

于钢或混泥土桥墩。在现代的打桩工具下把重桩打入深水中，桩

可以在水面或水下截断或做成桩帽。如在水下把它们做成桩帽，

可把一根预制空心桩浮运到做成承台桩的那一点，然后从空心桩

套内灌入混泥土。

建设上层建筑当所有的桩和支柱建好后，则上部结构开始建筑。

结构的建设方法有很多种类，共有六类建造方法：脚手架，浮运,

悬臂，滑移，直升和悬挂法。

在用脚手架建造时，主要用来建混泥土拱桥。金属或木支撑都是

临时搭设为竖直支撑。脚手架都是根据需要而灵活搭建的。尤其

结构在激流回深谷上时，临时桥墩和站桥一般使用在宽而浅的河

上。

浮运法主要用来建很长的桥梁。主桥部分是在河岸预制的，然后

用驳船浮移到桥梁位置。用浮吊起重机或卷扬机把该部分精确吊

到大桥的建设部位。

悬臂技术不仅用于悬臂桥中，也用于刚拱桥上，先建成一个桥台,

然后一步步延伸到中央，起重机和吊车可以完成着仪沉重物在结

构上的操作。

滑移法建筑很少用到。这种方法，如一个预制构件或一个组合

结构在竖立的支柱上，滑过临时或永久性的支撑，直到它进入安

装的另一个支撑。

直升法主要用于轻质小跨度的公路桥。每一个预制桥单元被垂直

悬起并旋转到桥梁支撑点上。

在由悬挂法建设的桥梁中，一串缆绳连接俩边的桥头堡，被用作

桥面支撑点。开始的桥面施工却在在桥梁施工的最后，而且是由

俩端向中央发展。移动吊车在已完成的桥面上移动，用来运送重

材，悬挂钢缆，有时在其他类型的桥梁中被用来在全跨上运输材

料。

所有的建筑方法在施工阶段都需要验算应力和变形，在用悬臂梁

法施工的桥梁中，因为完全不同的支撑和荷载条件，未竣工桥梁

内的应力可能会超过已竣工桥梁内的应力。

当公路的铺装，标志，灯光，护栏和附属设施完成后，桥梁就准

备投入使用了。

第九课海港和海上工程

海港和海上的建筑工作比城市设计有更多不平常的问题和富

有挑战性，连续宽广的大海是自然界最不知疲劳，最有气势和具

有强大的自然力，为工程师提供一个对手去发现在海洋中的建筑

的任何弱点或缺点，而却防止它们。

海事工程的目的。这些广泛进行的工程主要目的有两类：水

面运输，围海造陆或河道管理。在第一批进行的工程直接用于为

水陆交通工具中的货物和乘客转移提安全而经济的设施。渔港的

出现分配着大海的资源。为轮船和水型飞机提供了安全岛，是船

舶的停泊处或是私人水飞机的降落处。围海造陆与河道管理是致

力于防止海洋对陆地侵蚀恢复和改造海洋所占用土地以及维护

江河入海口以作为内陆径流排放的有效措施这样的工程。在很多

地方，由于没有连续维护，大浪和暴雨一起将导致居民区的洪灾

时常发生。

土木工程技术所有的工程都有很多广泛的相同。实际上要认

出在同一时期经常出现相似的工程的不同特征。例如：主要河道

清淤至足够的深度的工作即有利于通航，同时也能增加上游洪水

的泄洪能力。

水力模型。海边土建工程的计划取决于运输，围海造陆，河

道管理是否促进发展技术模型的研究，曾经认为科技是不必要

的，这些研究表明必不可少的第一步是对任何港口或沿海地区进

行再开发，去做有用的即使是非常小的更改或增加地区，海港，

河口被做成缩尺模型。所以水不以被引导如同潮汐和其他的潮流

一样，在同一方向以相同速率处在同一个地方。各种设备一般都

是电子控制，被发展以海浪和潮汐为动力用来生产。

这个试验的可贵之处在于引出了在比例上减少被发现相当于

鲜少模型尺寸的比例。这样以来，苏格兰的ClydeEstuary工程

的巨大模型在14分钟的潮汐循环中或大约50次的实际潮汐次

数。

三年潮汐的影响使海港的数据图表也随着更改，如果在时间

为三周的试验中对模型的研究，那么任何其他的潮流在非预期内

的冲刷或淤泥可能被查出来。这种价值关系对改变位置的防堤提

供保护同样可以被研究。利用波浪生成设备，发现次要的或不利

的影响。

在受保护的区域，波浪因带来混乱而不受欢迎，这是可以预

料甚至还是抢先的。

天然港口和人造港口：

在世界的海岸线中确实存在着偏见，自然界为人类提供的港

湾仅仅等待使用o例如纽约湾，探险者GiouvannidaVerrazano称

纽约是庇护船只“最满意的地方”，像进口，港湾，出可能需要先

进的挖泥机，当然还必须修建港口结构，但最主要的是这些都保

持着自然形成状态，而且它们对世界上许多大城市来说，其存在

非常重要。因为像这些天然的海港并不是经常需要一般的家们设

计的人造海港那样的港口设备。在一个人工海港的创建中，最主

要的结构设施是防浪堤，有时候也叫防波堤，或者掘地道，其主

要作用是保持近海岸的海水平静，人工海港的位置当然应该选择

在有潜能的海岸的突出部位；也可以偏于稍微缩进一些。所以，

常常出于经济性或都战略性考虑，通常会沿着不太隐蔽的海岸线

的陆地上修建防浪堤围住一些区域，建造纯粹的港口，只留很窄

通道作为船只的进出口。

海港的主要工作远古时代，从事海港的工作是改善改进天然

海港和人造港口的结构。还没有确定性的证据记载第一座人造海

港构造的日期和地点，但是人们都知道，公元前13世纪

Phoencians在Sidon和Tyre就修建了港口。

目前的工程师们很少懂得或者思考关于对他们自己修建的港

口进行保护甚至应用。证据是我们所看到的Mediterranean四周

曾经很繁荣的港口，如今不仅仅成为了静静的废墟，取而代之的

是那些随时地跟进的繁殖力极强的冲积陆地所占领，而且远远望

去那海的景象很难想象得出那种场景能够适于远航轮船的定锚o

AsiaMinor的在Aegean陆地上的港口如Ephesus,Prience和

Miletus,像这种类型的港口如今都消失了，每一种这样的情景都

破坏了美丽如画的Meander河（现在叫Menderes河）,这对于那

些努力在河流出海处相邻的高地上创建新的陆地的人们来说不

失为一件惬意的事情。

在朝向Cyprus岛的