土木工程

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水壩建造是土木工程的重要項目之一(圖為美國胡佛水壩

土木工程是指一切和文化有關的基礎建設的計劃、建造和維修。現時一般的土木工作項目包括:道路水利、渠務、防災工程交通等。過去曾經將一切非軍事用途的民用工程項目,歸類入本類,但隨著工程科學日益廣闊,不少原來屬於土木工程範圍的內容都已經獨立成科。

土木工程乃以提高國民之生活品質,促進國民之公共福祉為目的,進而改造國土,整治環境及防治災害發生的一種公共工程。又因衣食住行為國民生活之四大需要,並與國民之福祉息息相關,故土木工程亦爲直接或間接地解決民生四大問題之基本建設工程。

历史[编辑]

古代[编辑]

建造於公元1世紀的古羅馬時代加爾橋

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、草筋、土坯等自然材料,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。当时中國的代表作則有大禹治水和李冰父子所興建的都江堰, 以及萬里長城。

近代[编辑]

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餘年。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材料强度理论的基础上,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。由于混凝土及鋼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[编辑]

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。 最重要的建築材料混凝土都有了較大的發展,強度成倍提高,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種類,而且在性能上也较过去的传统材料更为优良、輕質、高強的新材料的應用使得很多過去難以實現的結構成為可能。

计算机数值分析使过去手工難以计算的而被迫簡化粗略的計算可以变为较为精确的計算分析。例如,借助于有限元計算軟件,人们如今可以轻而易举地求解出以前人力難以完成的複雜超靜定結構內力位移計算。有限元理論與結構動力學的不断发展,使得人们可以方便且精确的做出结构的受力和形變的计算,使得设计工作大大简化。而計算機輔助設計(CAD)的應用,將設計人員從繁重的手工繪圖中解放出來。更多建築施工機械的使用,使得施工自動化程度程度大幅提高。

分支[编辑]

材料科學與工程[编辑]

Construction in Sète, Hérault 01.jpg

土木工程的建造過程必須使用各種金屬非金屬材料,因而與材料科學與材料工程密切相關。材料科學本身就是一个跨領域學科,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。涉及的理论包括固体物理学材料化学应用物理化学等;而在與土木工程的結合上則衍生出結構材料金屬材料建築材料耐火材料等不同應用。

随着近年来媒体将注意力大量集中在纳米科学纳米技术上,材料科学在许多大学被推到了最前沿。它也是工程鑑定破壞分析中的一个重要组成部分。

大地工程[编辑]

大地工程又名土力工程、岩土工程,主要研究泥土構成物質的工程特性。大地工程師會研究從工地採集的泥土樣本和岩石樣本中的數據,然後計算工地上的建築所需的格構。地基地樁護土牆水壩隧道等都是需要大地工程師為工程提供土力意見的建設項目。

大地工程可以細分為土壤力學地基工程工程地質等學科。

結構工程[编辑]

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] 结构工程师通常参与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汽车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情况下破坏)、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[编辑]

測試地震對一般建築與基礎隔離建築的影響[3]

地震工程又名防震工程,是當建築物受到地震影響時對其結構行為的研究,用以減少地震發生時對於建築物的損害,屬於結構設計和土木工程的一環。振動控制技術和基礎隔離是地震工程裡最強而有力和最經濟的工具。

水利工程[编辑]

水利工程是为了控制、利用和保護地表及地下的資源與環境而修建的各项工程建設的总称。土木工程中著重于水流体的自然運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、运河以及防洪堤等關於水流、江川及洋海堤道工程的设计与施工有着密切的關聯,亦涉及公共卫生与环境工程等這些和水相關的環境生態及用水範疇。

水利工程主要的工作为各种水工結構物,包括水坝河海堤防、给水管网与集水管网、生態永續、洪水管理、沉积物运移以及其他的与水土保持工程大地工程有關的事務。

交通工程[编辑]

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、水上交通、管道交通五項内容。道路交通工程学仅研究道路上的交通,具体地说,就是把人、車、路、環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,以达到道路交通通畅、通行能力大、交通事故少、运输效率高、公害程度低、節省燃料和运输费用及环境协调、舒适的目的。

工程測量學[编辑]

工程測量學為一種應用測量學原理,應用在各種工程上,例如道路隧道橋樑住宅等,主要是將原本在工程圖說上的設計圖放樣到現場,以利工程人員依照所放樣的位置製做出。

工程图纸上的設計圖上的構造物,其放樣的結果的正確性甚為重要,若錯誤可能導致工程甚大損失,工程測量所需成本對工程成本而言甚小,但重要性甚大。

環境工程[编辑]

污水下水道

環境工程為應用科學與工程之方法來改善環境(包括空氣、水、土地資源),進而為人類之居住以及其他生物體提供對健康有益的水、空氣以及土壤,亦包括污染場址之復育。我們可經由教育大眾、保護環境、訂立規定以及應用良好工程實作來減輕與控制對環境的負面影響。

其他[编辑]

參考文獻[编辑]