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土木工程

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水坝建造是土木工程的重要项目之一(图为美国胡佛水坝)
水坝建造是土木工程的重要项目之一(图为美国胡佛水坝

土木工程,是指一切和有关的基础建设的计划、建造和维修。现时一般的土木工作项目包括:能源水利交通设施等。过去曾经将一切非军事用途的民用工程项目,归入本类,但随着工程科学日益广阔,不少原来属于土木工程范围的内容都已经独立成科。

土木工程乃以提高国民之生活品质,促进国民之公共福祉为目的,进而改造国土,整治环境及防治灾害发生的一种公共工程。又因食衣住行乃国民生活之四大需要,并与国民之福祉息息相关,故土木工程亦为直接或间接地解决民生四大问题之基本建设工程。

历史

古代

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建造于公元1世纪的古罗马时代加尔桥
建造于公元1世纪的古罗马时代加尔桥

古代土木工程的历史跨度大致可以化分为从旧石器时代到17世纪中叶。这一时期的土木工程十分原始,建筑材料主要使用石块、土坯、草筋等自然材料,建筑工具也是十分简陋的斧、锤、刀、铲等手工工具,修建设施主要依靠经验,没有什么系统的理论。当时中国的代表作则有大禹治水和李冰父子所兴建的都江堰,以及万里长城

近代

近代土木工程的历史跨度,一般认为是从17世纪中叶到第二次世界大战前后,共计300余年。这一时期,土木工程逐渐成为一门独立学科。1638年意大利学者伽利略发表了《关于两门新科学的对话》,首次用公式表达了的设计理论。1687年牛顿总结出力学三大定律,为土木工程奠定了力学分析的基础。随后在材料力学弹性力学的基础上,法国纳维于1825年建立了土木工程中结构设计的容许应力法。从此,土木工程便有了比较系统的理论指导。

材料方面,1824年波特兰水泥的发明以及1867年钢筋混凝土开始应用是土木工程史上的历史性事件。由于混凝土及钢材的大规模生产得以实现,使得土木工程师可以运用这些材料建造巨型和复杂的工程设施。

现代

第二次世界大战之后的科学技术的迅速发展,使得土木工程可以以现代科学技术为依托进一步发展。最重要的土木材料建筑材料混凝土都有较大的发展,强度成倍提高,可靠性,耐久性等其他性能也有了很大改善。

合成材料的不断研制,拓宽了施工中可以使用的材料的种类,而且在性能上也比过去的传统材料更为优良、轻质、高强度新材料的应用使得很多过去难以实现的结构可以实现。

计算机的数值分析使过去因手工难以计算而被迫粗略简化的计算可转变为较精确的计算分析。例如:借助有限元素法计算软件,可轻易地求解出以前人力难以完成的复杂超静定结构的内力和位移计算。结构力学有限元素法的不断发展,使得人们可以方便且精确的做出结构的受力和形变的计算,使得设计工作大大简化。而电脑辅助设计(CAD)的应用,将设计人员从繁重的手工设计中解放出来。更多建筑工程机械的使用,使得施工自动化程度程度大幅提高。

分支

工程测量学

工程测量学为一种应用测量学原理,应用在各种工程上,例如道路隧道桥梁住宅等,主要是将原本在工程图说上的设计图放样到现场,以利工程人员依照所放样的位置制做出。

工程图纸上的设计图上的构造物,其放样的结果的正确性甚为重要,若错误可能导致工程甚大损失,工程测量所需成本对工程成本而言甚小,但重要性甚大。

材料科学与工程

Construction in Sète, Hérault 01.jpg

土木工程的建造过程必须使用各种金属材料非金属材料,因而与材料科学与材料工程密切相关。材料科学本身就是一个跨领域学科,涉及物质的性质及其在各个科学工程领域的应用。它研究材料的制备或加工工艺、材料的微观结构与材料宏观性能三者之间的相互关系的科学。涉及的理论包括应用物理学固体物理学化学等;而在与土木工程的结合上则衍生出土木材料结构材料建筑材料、机械材料、耐火材料等不同应用。

随着近年来媒体将注意力大量集中在奈米科学和奈米技术上,材料科学在许多大学被推到了最前沿。它也是工程鉴定和破坏分析中的一个重要组成部分。

大地工程

大地工程又名土力工程、岩土工程、地工技术,主要研究泥土构成物质的工程特性。大地工程师会研究从工地采集的泥土样本和岩石样本中的数据,然后计算工地上的建筑所需的格构。地基、地桩、护土墙水坝隧道等都是需要大地工程师为工程提供土力意见的建设项目。

大地工程可以细分为土壤力学、基础工程、工程地质、岩石力学等学科。

结构工程

结构工程是分析和设计荷载作用下的建筑结构的工程学科。结构工程通常被归类为土木工程的分支,但也可以作为一门独立学科来研究。[1] 结构工程师通常参予房屋建筑和其他大型结构的设计,[2]但也能参与到诸如机械医疗设备车辆等结构可靠性会影响使用和安全的领域。结构工程师必须按照国家或行业规范来设计,确保安全性(如:结构不能在毫无征兆的强况下破坏)、可维护性以及可用性(如:房屋不能有太大的变形,避免使用者不适)。设计出来的建筑必须能承受巨大的荷载,以及气候变化和自然灾害。

结构工程理论是建立于在不同场地和材料下,结构所表现出来的物理规律和工程经验之上。结构设计一般用少数几种简单的结构构件来组成复杂的结构体系。[2]

地震工程

测试地震对一般建筑与基础隔离建筑的影响[3]
测试地震对一般建筑与基础隔离建筑的影响[3]

地震工程又名防震工程,是当建筑物受到地震影响时对其结构行为的研究,用以减少地震发生时对于建筑物的损害,属于结构设计和土木工程的一环。振动控制技术和基础隔离是地震工程里最强而有力和最经济的工具。

水利工程

水利工程是为了控制、利用和保护地表及地下的资源与环境而修建的各项工程建设的总称。土木工程中着重于水流体的自然运动与人工输送及利用的一门分支。该工程领域与桥梁水坝、河道、运河以及防洪堤等关于水流、江川及洋海堤道工程的设计与施工有着密切的关联,亦涉及公共卫生与环境工程等这些和水相关的环境生态及用水范畴。

水利工程主要的工作为各种水工结构物,包括水坝与河海堤防、给水管网与集水管网、生态永续、洪水管理、沉积物运移以及其他的与水土保持工程和大地工程有关的事务。

环境工程

污水下水道
污水下水道

环境工程为应用科学与工程之方法来改善环境(包括空气、水、土地资源),进而为人类之居住以及其他生物体提供对健康有益的水、空气以及土壤,亦包括污染场址之复育。我们可经由教育大众、保护环境、订立规定以及应用良好工程实作来减轻与控制对环境的负面影响。

交通工程

交通工程是土木工程学中的一个分支,包括公路交通、铁路交通、航空交通、航海交通、管道交通五项内容。道路交通工程学仅研究道路上的交通,具体地说,就是把人、车、路、环境四者统一在一个交通系统中,探索各自和相互间的内在规律性及其最佳配合,以达到道路交通顺畅、通行能力大、交通事故少、运输效率高、公害程度低、节省燃料和运输费用及环境协调、舒适的目的。

其他

  • 海洋工程
  • 营建工程
  • 地政及都市计划
  • 水土保持工程

参见

参考文献

  1. ^ History of Structural Engineering. University of San Diego. [2007-12-02]. (原始内容存档于2020-07-06). 
  2. ^ 2.0 2.1 What is a structural engineer. Institution of Structural Engineers. [2007-12-02]. (原始内容存档于2007-09-29). 
  3. ^ Earthquake Protector: Shake Table Crash Testing. [2013-10-12]. (原始内容存档于2013-07-21). 
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土木工程
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