土木工程历史及发展

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“土木工程（Civil Engineering）”是建造各类工程设施的科学技术的统称。它既指工程建设的对象,即建造在地上、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、保养、维修等专业技术。
建造工程设施的物质基础是土地、建筑材料、建筑设备和施工机具。借助于这些物质条件，经济而便捷地建成既能满足人们使用要求和审美要求，又能安全承受各种荷载的工程设施，是土木工程学科的出发点和归宿。
土木工程是最古老的工程学科,它与人类的生存和发展息息相关。土木工程本身具有四个特征：（1）综合性：大多数自然学科都与土木工程有千丝万缕的联系,数学、力学更是其理论内核。近年来迅速发展的计算机科学,更使得土木工发生了巨大的变化；（2）社会性：土木工程面对的对象是地球，可以说土木工程的最终目的就是为了更合理地改造地球，满足人类的生活和生产的需要。可见土木工程与每个人都有联系；（3）实践性：土木工程是从实践中发展起来的学科，至今仍有许多理论无法解决的问题要靠实践经验来解决；（4）技术，经济，建筑艺术的统一性：运用合理的技术和资金营造有艺术观赏性和实际使用价值的建筑物是土木工程。
“材料，施工，理论”是土木工程的三要素。正是这三要素的相互影响和促进，才有了土木工程的不断发展，而其中又以材料最为关键。砖瓦的出现使得古代的土木工程发生了第一次飞跃；十九世纪中叶，钢材和钢筋混凝土在建筑营造中的应用则使近代的土木工程发生了革命性的变化，实现了第二次飞跃；至二十世纪中叶，预应力混凝土的发明和广泛使用则是土木工程的第三次飞跃，标志着现代土木工程的开始。
从人类第一次拿起工具改造土地、营造房屋开始，到公元17世纪中叶生铁成为一种新型的建筑材料，这一时期被看作是土木工程的古代时期。
这一时期的土木工程虽然有所发展，但还没有形成一个完整的科学体

www.667e.com系。建筑材料以天然材料和砖瓦为主；木结构、砖石结构是主要的结构体系。公元前11～前3世纪砖瓦的出现又成为了古代土木工程形成期和成熟期的分水岭。
形成期（—公元前11～前3世纪）
这一时期工程材料以天然材料为主，建成了许多著名的建筑。
在中国，相传公元前21世纪的大禹治水，可能是人类历史上最早的水利工程。公元前5世纪成书的《考工记》则是最早的一本有关土木工程的著作。公元前5～前4世纪，西门豹所主持修建的引漳灌邺工程是中国最早的多首制灌溉工程。公元前3世纪中叶李冰父子在四川灌县修建的都江堰是世界上最早的综合性大型水利工程。公元前7～前3世纪，修筑了著名的长城（世界七大奇迹之一）。
与此同时，埃及在公元前27～前26世纪就修建了世界上最大的帝王陵墓群——吉萨金字塔群，其中有著名的胡夫金字塔（世界七大奇迹之一）。公元前16～前4世纪，又建成了位于底比利斯的凯尔奈克神庙。希腊在公元前7世纪也已建成了由石料营造的神庙。公元前5世纪，著名的雅典卫城建成，其中的巴台农神庙（世界七大奇迹之一）是古希腊建筑的典范。印度在公元前20世纪就已建成了城市规划完整的摩伯朱达罗城。
发达期（公元前11～前3世纪—17世纪中叶）
这一时期随着砖瓦的出现，土木工程有了蓬勃的发展。知识化的建筑师、工程师已经出现，图纸的绘制，系统的计算方法都已出现。
在中国，木结构有了很大发展。山西五台山的南禅寺（8世纪）和佛光寺大殿（9世纪）都是现存的完整的木结构建筑。2世纪建成的徐州浮屠寺塔是典型的楼阁式木塔。11世纪在山西应县建造的佛宫寺释迦塔，高67.3m，是现存最高的木结构之一。1世纪时，砖石结构开始发展。6世纪时建成的河南登封县嵩岳寺塔是中国现存最早的密檐砖塔。《木经》（宋喻皓），《营造法式》（李诫）等理论著作也相继出现。
在西欧，公元前2世纪，出现了

www.667e.com被称为罗马水泥的天然混凝土，古罗马也出现了券拱结构。公元前1世纪，十字拱和穹顶在建筑中广泛使用。公元2世纪，发券已经开始使用，其代表建筑万神庙（120～124年）的直径达43.43m，是古代最大的圆顶庙。这一时期的《建筑十书》（维特鲁威，公元前1世纪）奠定了欧洲土木建筑科学的体系。指示剂至中世纪时，拜占廷建筑开始兴起，其代表为圣伯菲亚教堂（532～537年），而此时的意大利仍保持着罗马的建筑风格，比萨大教堂是其代表。西欧其他国家则以法国为中心，推崇哥特式教堂建筑，其中以巴黎圣母院（1163～1271）最具代表性。15～16世纪，欧洲文艺复兴运动兴起。当时建成的佛罗伦萨教堂穹顶为世界最大的，它标志着文复兴艺建筑的开始。罗马建成的圣彼得大教堂（1506～1526）集中了16世纪意大利建筑、结构和施工的最高成就。L．B．阿尔贝蒂尼所著的《论建筑》（1455）则是意大利文艺复兴时期最重要的理论著作。
近代土木工程的发展
这一时期的建筑材料已由过去的木、石、砖瓦发展为铁、钢、混凝土、钢筋混凝土、早期预应力混凝土。建筑理论也因材料力学、理论力学、结构力学、土力学、工程结构设计理论的逐步形成而充实起来。随着新工艺新机械的出现，施工技术的不断改进，土木工程的施工规模越来越大，施工速度明显加快。
这一时期的典型代表建筑巴黎铁塔（1889,300 m,法）、帝国大厦（1931,378m,美）都达到了人类建筑史的顶峰；与此同时魁北可悬索桥（1918,548.6m,加拿大）、金门悬索桥（1937,1280m,美）、悉尼港桥（1932,503m,澳大利亚）等一系列现代大桥的建成标志着桥梁建设的水平发生了巨大的飞跃。
现代土木工程的特点
适应各类工程建设高速发展的要求，人们需建造大规模，大跨度，高耸，轻型，大型，精密设备的现代化的建筑物，既要求高质量和快速施工，

www.667e.com又要求高经济效益，这就向土木工程提出新的课题，并推动了土木工程这门学科的发展。
建筑材料：“高强轻质”的铅、镁合金，玻璃纤维，合成材料等广泛使用；不断提高钢材，混凝土的强度和耐久性。
工程地质与地基：现在已经广泛实行现场钻探取材，室内分析实验，混凝土搅拌输送车，输送泵等相结合的一套现场机械化施工工艺，使现场浇灌混凝土方法获得了新生命。由于采用了现代化的盾构，隧道施工加快，精度也提高。土石方工程中广泛采用定向爆破，解决大量土石方的施工问题。
理论研究精密化：一些新理论和方法，如计算力学、结构动力学、动态规划法、网络理论、随机过程论、滤波理论学的成果，随着计算机的普及而渗进了土木工程领域。结构动力学已发展完备，荷载不再是静止的和确定性的，而是被作为随时间变化的随即过程来处理。静态的、确定的、线性的、单个的分析，逐步被动态的、随机的、非线性的、系统与整体的分析所代替。电子计算机技术的应用使高次超静定方程的分析成为可能。大跨度建筑的形成层出不穷，薄壳、悬索、网架和充气结构覆盖大片面积，满足各种大型社会公共活动的需要。从材料特性，结构分析，结构受力计算到极限状态理论，土木工程的各个分支中都得到充分发展。
正是这些巨大的飞跃在二十世纪中后期有出现了一大批代表性工程，如马来西亚石油大厦（450m,1996）、美国西尔斯大厦（435m,1974）、日本明石跨海大桥（1991m,1998）、英吉利海峡隧道等，它们代表了当今土木工程技术最高水平。
土木工程历史上的三次飞跃
 
    对土木工程的发展起关键作用的，首先是作为工程物质基础的土木建筑材料，其次是随之发展起来的设计理论和施工技术。每当出现新的优良的建筑材料时，土木工程就会有飞跃式的发展。
 
  

www.667e.com  人们在早期只能依靠泥土、木料及其它天然材料从事营造活动，后来出现了砖和瓦这种人工建筑材料，使人类第一次冲破了天然建筑材料的束缚。中国在公元前十一世纪的西周初期制造出瓦。最早的砖出现在公元前五世纪至公元前三世纪战国时的墓室中。砖和瓦具有比土更优越的力学性能，可以就地取材，而又易于加工制作。
 
    砖和瓦的出现使人们开始广泛地、大量地修建房屋和城防工程等。由此土木工程技术得到了飞速的发展。直至18～19世纪，在长达两千多年时间里，砖和瓦一直是土木工程的重要建筑材料，为人类文明作出了伟大的贡献，甚至在目前还被广泛采用。
 
    钢材的大量应用是土木工程的第二次飞跃。 十七世纪70年代开始使用生铁、十九世纪初开始使用熟铁建造桥梁和房屋，这是钢结构出现的前奏。
 
    从十九世纪中叶开始，冶金业冶炼并轧制出抗拉和抗压强度都很高、延性好、质量均匀的建筑钢材，随后又生产出高强度钢丝、钢索 。于是适应发展需要的钢结构得到蓬勃发展。除应用原有的粱、拱结构外，新兴的桁架、框架、网架结构、悬索结构逐渐推广，出现了结构形式百花争艳的局面。
 
    建筑物跨径从砖结构、石结构、木结构的几米、几十米发展到钢结构的百米、几百米，直到现代的千米以上。于是在大江、海峡上架起大桥，在地面上建造起摩天大楼和高耸铁塔，甚至在地面下铺设铁路，创造出前所未有的奇迹。
 
    为适应钢结构工程发展的需要，在牛顿力学的基础上，材料力学、结构力学、工程结构设计理论等就应运而生。施工机械、施工技术和施工组织设计的理论也随之发

www.667e.com展，土木工程从经验上升成为科学，在工程实践和基础理论方面都面貌一新，从而促成了土木工程更迅速的发展。
 
    十九世纪20年代，波特兰水泥制成后，混凝土问世了。混凝土骨料可以就地取材，混凝土构件易于成型，但混凝土的抗拉强度很小，用途受到限制。十九世纪中叶以后，钢铁产量激增，随之出现了钢筋混凝土这种新型的复合建筑材料，其中钢筋承担拉力，混凝土承担压力，发挥了各自的优点。 二十世纪初以来，钢筋混凝土广泛应用于土木工程的各个领域。
 
    从三十年代开始，出现了预应力混凝土。预应力混凝土结构的抗裂性能、刚度和承载能力，大大高于钢筋混凝土结构，因而用途更为广阔。土木工程进入了钢筋混凝土和预应力混凝土占统治地位的历史时期。混凝土的出现给建筑物带来了新的经济、美观的工程结构形式，使土木工程产生了新的施工技术和工程结构设计理论。这是土木工程的又一次飞跃发展。
土木工程的特点
 
    建造一项工程设施一般要经过勘察、设计和施工三个阶段，需要运用工程地质勘察、水文地质勘察、工程测量、土力学、工程力学、工程设计、建筑材料、建筑设备、工程机械、建筑经济等学科和施工技术、施工组织等领域的知识，以及电子计算机和力学测试等技术。因而土木工程是一门范围广阔的综合性学科。随着科学技术的进步和工程实践的发展，土木工程这个学科也已发展成为内涵广泛、门类众多、结构复杂的综合体系。
 
    土木工程是伴随着人类社会的发展而发展起来的。它所建造的工程设施反映出各个历史时期社会经济、文化、科学、技术发展的面貌，因而土木工程也就成为社会历史发展的见证之一。
 
www.667e.com>    远古时代，人们就开始修筑简陋的房舍、道路、桥梁和沟澶，以满足简单的生活和生产需要。后来，人们为了适应战争、生产和生活以及宗教传播的需要，兴建了城池、运河、宫殿、寺庙以及其他各种建筑物。
 
    许多著名的工程设施显示出人类在这个历史时期的创造力。例如，中国的长城、都江堰、大运河、赵州桥、应县木塔，埃及的金字塔，希腊的巴台农神庙，罗马的给水工程、科洛西姆圆形竞技场(罗马大斗兽场)，以及其他许多著名的教堂、宫殿等。
 
    产业革命以后，特别是到了20世纪，一方面社会向土木工程提出了新的需求；另一方面，社会各个领域为土木工程的前进创造了良好的条件。因而这个时期的土木工程得到突飞猛进的发展。在世界各地出现了现代化规模宏大的工业厂房、摩天大厦，核电站、高速公路和铁路、大跨桥梁、大直径运输管道长隧道、大运河、大堤坝、大飞机场、大海港以及海洋工程等等。现代土木工程不断地为人类社会创造崭新的物质环境，成为人类社会现代文明的重要组成部分。
 
    土木工程是具有很强的实践性的学科。在早期，土木工程是通过工程实践，总结成功的经验，尤其是吸取失败的教训发展起来的。从17世纪开始，以伽利略和牛顿为先导的近代力学同土木工程实践结合起来，逐渐形成材料力学、结构力学、流体力学、岩体力学，作为土木工程的基础理论的学科。这样土木工程才逐渐从经验发展成为科学。
 
    在土木工程的发展过程中，工程实践经验常先行于理论，工程事故常显示出未能预见的新因素，触发新理论的研究和发展。至今不少工程问题的处理，在很大程度上仍然依靠实践经验。
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    土木工程技术的发展之所以主要凭借工程实践而不是凭借科学试验和理论研究，有两个原因：一是有些客观情况过于复杂，难以如实地进行室内实验或现场测试和理论分析。例如，地基基础、隧道及地下工程的受力和变形的状态及其随时间的变化，至今还需要参考工程经验进行分析判断。二是只有进行新的工程实践，才能揭示新的问题。例如，建造了高层建筑、高耸塔桅和大跨桥梁等，工程的抗风和抗震问题突出了，才能发展出这方面的新理论和技术。
 
    在土木工程的长期实践中，人们不仅对房屋建筑艺术给予很大注意，取得了卓越的成就；而且对其他工程设施，也通过选用不同的建筑材料，例如采用石料、钢材和钢筋混凝土，配合自然环境建造了许多在艺术上十分优美、功能上又十分良好的工程。古代中国的万里长城，现代世界上的许多电视塔和斜张桥，都是这方面的例子。
 
土木工程的发展趋势
 
    现代土木工程的特点是：适应各类工程建设高速发展的要求，人们需要建造大规模、大跨度、高耸、轻型、大型、精密、设备现代化的建筑物。既要求高质量和快速施工，又要求高经济效益。这就向土木工程提出新的课题，并推动土木工程这门学科前进。
 
    高强轻质的新材料不断出现。比钢轻的铝合金、镁合金和玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)已开始应用。对提高钢材和混凝土的强度和耐久性，已取得显著成果 ，而且还仍继续进展。
 
    建设地区的工程地质和地基的构造 ，及其在天然状态下的应力情况和力学性能，不仅直接决定基础的设计和施工，还常常关系到工程设施的选址、结构体系和建筑材料的

www.667e.com选择，对于地下工程影响就更大了。工程地质和地基的勘察技术，目前主要仍然是现场钻探取样，室内分析试验，这是有一定局限性的为适应现代化大型建筑的需要，急待利用现代科学技术来创造新的勘察方法。
 
    以往的总体规划常是凭借工程经验提出若干方案，从中选优。由于土木工程设施的规模日益扩大，现在已有必要也有可能运用系统工程的理论和方法以提高规划水平。特大的土木工程，例如高大水坝会引起自然环境的改变，影响生态平衡和农业生产等，这类工程的社会效果是有利也有弊。在规划中，对于趋利避害要作全面的考虑。
 
    随着土木工程规模的扩大和由此产生的施工工具、设备、机械向多品种、自动化、大型化发展，施工日益走向机械化和自动化。同时组织管理开始应用系统工程的理论和方法，日益走向科学化；有些工程设施的建设继续趋向结构和构件标准化和生产工业化。这样，不仅可以降低造价、缩短工期、提高劳动生产率，而且可以解决特殊条件下的施工作业问题，以建造过去难以施工的工程。
 
 
近代土木工程的时间跨度：17世纪中叶－>第一次世界大战前后
　　近代土木工程的材料发展：1824年波特兰水泥－>1867年钢筋混凝土－>1859年转炉炼钢法－>1886钢筋混凝土->1928年预应力混凝土
　　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。
　　　　第一座依照现代钢框架结构原理建造起来的高层建筑是芝加哥家庭保险公司大厦。
 
市政工程