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。

歷史[編輯]

古代[編輯]

建造於公元1世紀的古羅馬時代加爾橋

古代土木工程的歷史跨度大致可以化分為從舊石器時代到17世紀中葉。這一時期的土木工程十分原始,建築材料主要使用石塊、草筋、土坯等自然材料,建築工具也是十分簡陋的斧、錘、刀、鏟等手工工具,修建設施主要依靠經驗,沒有什麼系統的理論。當時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[編輯]

近代土木工程的歷史跨度,一般認為是從17世紀中葉到第二次世界大戰前後,共計300餘年。這一時期,土木工程逐漸成為一門獨立學科。1638年義大利學者伽利略發表了《關於兩門新科學的對話》,首次用公式表達了的設計理論。1687年牛頓總結出力學三大定律,為土木工程奠定了力學分析的基礎。隨後在材料力學彈性力學材料強度理論的基礎上,法國納維於1825年建立了土木工程中結構設計的容許應力法。從此,土木工程便有了比較系統的理論指導。

材料方面,1824年波特蘭水泥的發明以及1867年鋼筋混凝土開始應用是土木工程史上的歷史性事件。由於混凝土及鋼材的大規模生產得以實現,使得土木工程師可以運用這些材料建造巨型和複雜的工程設施。

現代[編輯]

第二次世界大戰之後的科學技術的迅速發展,使得土木工程可以以現代科學技術為依託進一步發展。 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。

合成材料的不斷研製,拓寬了施工中可以使用的材料的種類,而且在性能上也較過去的傳統材料更為優良、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。

計算機數值分析使過去手工難以計算的而被迫簡化粗略的計算可以變為較為精確的計算分析。例如,藉助於有限元計算軟體,人們如今可以輕而易舉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斷發展,使得人們可以方便且精確的做出結構的受力和形變的計算,使得設計工作大大簡化。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[編輯]

材料科學與工程[編輯]

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個跨領域學科,涉及物質的性質及其在各個科學工程領域的應用。它研究材料的製備或加工工藝、材料的微觀結構與材料宏觀性能三者之間的相互關係的科學。涉及的理論包括固體物理學材料化學應用物理化學等;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。

隨著近年來媒體將注意力大量集中在奈米科學奈米技術上,材料科學在許多大學被推到了最前沿。它也是工程鑑定破壞分析中的一個重要組成部分。

大地工程[編輯]

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[編輯]

結構工程是分析和設計荷載作用下的建築結構的工程學科。結構工程通常被歸類為土木工程的分支,但也可以作為一門獨立學科來研究。[1] 結構工程師通常參與房屋建築和其他大型結構的設計,[2] 但也能參與到諸如機械醫療設備汽車等結構可靠性會影響使用和安全的領域。結構工程師必須按照國家或行業規範來設計,確保安全性(如:結構不能在毫無徵兆的情況下破壞)、可維護性以及可用性(如:房屋不能有太大的變形,避免使用者不適)。設計出來的建築必須能承受巨大的荷載,以及氣候變化和自然災害。

結構工程理論是建立於在不同場地和材料下,結構所表現出來的物理規律和工程經驗之上。結構設計一般用少數幾種簡單的結構構件來組成複雜的結構體系[2]

地震工程[編輯]

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[編輯]

水利工程是為了控制、利用和保護地表及地下的資源與環境而修建的各項工程建設的總稱。土木工程中著重於水流體的自然運動與人工輸送及利用的一門分支。該工程領域與橋樑水壩、河道、運河以及防洪堤等關於水流、江川及洋海堤道工程的設計與施工有著密切的關聯,亦涉及公共衛生與環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為各種水工結構物,包括水壩河海堤防、給水管網與集水管網、生態永續、洪水管理、沉積物運移以及其他的與水土保持工程大地工程有關的事務。

交通工程[編輯]

交通工程是土木工程學中的一個分支,包括公路交通、鐵路交通、航空交通、水上交通、管道交通五項內容。道路交通工程學僅研究道路上的交通,具體地說,就是把人、車、路、環境四者統一在一個交通系統中,探索各自和相互間地內在規律性及其最佳配合,已達到道路交通通暢、通行能力大、交通事故少、運輸效率高、公害程度低、節省燃料和運輸費用及環境協調、舒適的目的。

工程測量學[編輯]

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。

工程圖紙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[編輯]

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[編輯]

參考文獻[編輯]