土木工程智能结构系统-欧进萍共256页

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土木工程智能结构体系的研究与发展陈韩进摘要：本文对土木工程智能结构体系研究与发展进行分析，文中先对土木工程智能结构体系构成进行了阐述，其次对土木工程智能结构体系功能实现材料的研究进行了探讨，最后对其未来发展进行了研究。

关键词：土木工程；智能结构体系；研究；发展近年来自然灾害频发，所导致的建筑结构安全性问题较多，其中地震导致的社会影响最为大[1]。

而建筑在应用中，结构会发生老化，如何保证可能发生地震灾害问题得到预防，需要从建筑的土木结构方面展开研究。

一、土木工程智能结构体系的构成建筑结构因时间迁延导致的损害情况众多，比如下图1a中开裂及剥离，又如b中结构抗力的严重退化，应用智能结构体系能够有效改善这一问题。

该结构体系是由主控系统、辅控系统构成，前者主要构件为信号传导器、信号处理器、信号控制器等。

智能结构体系是以仿生学为基础进行构架的，仿生学即是仿照生物的形态的学术，在现代建筑中应用广泛，通过感知、认知等方式对建筑结构内部信息的传输、还原。

依靠建筑中的传感器进行信息材料，再通过信息反馈来实施相应的控制操作，这是智能体系最为核心的功能，土木工程智能结构体系也是应用这一途径实现减震功能，参与到减震环节中的是自适应装置，这一装置能够适应结构形态变化，为结构于特殊状况下保证稳定、安全。

外界发生强烈的震动或者受到水平剪切力的情况下，智能结构能够快速的做出反应，进而使得结构受到影响降至最低。

在进行土木工程智能结构体系的研究中，是利用现代智能管理控制手段达成建筑结构抗震、稳定效果的过程，其发展对于现代建筑物、构筑物的安全有着重大意义。

图1 时间迁延发生的混凝土与结构损害（左a，右b）二、土木工程智能结构体系功能的实现材料的研究1、修复功能智能结构体系有着自修复功能的要求，在此中就需要应用帮助其达成功能的材料。

在现阶段中主要采用是以下方式：裂缝发展的过程中对氧化作用材料进行遏制，对于结构节点、钢结构要实现进行该类材料的埋设，以此使裂缝修复加快；在混凝土材料中增加聚丙烯纤维此类材料，或者是玻璃纤维材料中增设聚丙烯纤维，该材料具有良好的质量弹性，能够实现自愈功能；混凝土发生开裂的情况下，可以选择预先埋设释放性材料，以此使裂缝得到填充。

土木工程智能结构体系的研究与发展杜佼发表时间：2018-12-18T09:50:40.360Z 来源：《防护工程》2018年第26期作者：杜佼[导读] 土木工程智能结构体系的研究与发展，是关于土木工程的一项有关于必要性和迫切性的研究和探讨云南经济管理学院（工程学院）云南昆明 650000摘要：土木工程智能结构体系的研究与发展，是关于土木工程的一项有关于必要性和迫切性的研究和探讨，有着关于其在安全方面以及经济建设方面的重要作用和价值意义。

对于土木工程智能结构体系的分析，在这一方面探讨对于综合、系统的研究土木工程结构就显得尤为重要，这也是具备关键性的价值研究，有利于我们更好的在土木工程上加速这一方面发展，能够成为对社会有价值意义改善的一项建筑工程和研究，为社会做出贡献。

本文研究和探讨了木工程结构关于智能结构体系方面的研究，该系统对降低地震等灾害上是有非常大的帮助的，有着工程研究自身的价值与意义。

关键词：土木工程；智能结构体系；研究与发展引言从很多的现实情况来看，土木工程发展还很脆弱，频繁的土木工程事故接二连三的发生，不得不引起人们的思考，在社会上引发的一些土木工程安全事故，不仅损害着社会的财产，也在消耗着人们的精力和生活质量。

而在土木工程智能结构体系中，从研究智能结构的各部分组成起开始，在到结合各方面现实情况以及相关的研究逐步深入分析，将土木工程建设朝着更好更快的方向发展，让土木工程在社会创造出更有利的价值效益，为人类社会的进步和发展造福。

一、土木工程智能结构体系组成的原件土木工程智能结构体系组成的原件以及系统结构是最为基础的理论概念，要想了解土木工程的智能控制结构体系，就要从最基础的组成元素了解起。

智能结构体系主要分为两种：一种是起到主导中心控制的主控制，另外一个是起到辅导作用的辅助控制，这两种控制相辅相成，缺一不可，共同完成在智能结构体系中的工作任务。

在主控制系统中又分为几大重要的点，在主控制中扮演着非常重要的角色，他们分别是信号传感器、信号处理器以及最为重要的信号控制器，他们在智能结构系统中的主控制系统中发挥着很大的作用，是土木工程智能结构系统的核心组成原件，起着巨大的作用。

文章编号：1000-4750(2022)03-0001-10本征自感知混凝土及其智能结构

丁思齐1，韩宝国2，欧进萍2

(1. 哈尔滨工业大学(深圳)土木与环境工程学院，广东，深圳 518055 ；2. 大连理工大学土木工程学院，辽宁，大连 116024)

摘 要：工程结构会缓慢老化并逐渐劣化，其劣化从材料层面开始，在早期阶段感知材料性能的劣化便可在结构发生重大损坏前进行维护，从而提升其安全性、韧性与寿命。因此，材料性能的自感知对于发展具有数字化特征的智能结构至关重要。混凝土是应用最广泛的工程材料，但其主要作为结构材料使用，并不具有本征自感知性能。复合导电或半导体填料可使混凝土具备感知自身应变、应力或损伤(包括裂纹和疲劳等)的能力，同时还可提升其力学和耐久性。本征自感知混凝土的出现为发展智能结构进而实现其原位监测奠定了材料基础。该文系统介绍了本征自感知混凝土的组成与制备、测试与表征、性能与调控、机理与模型，及其智能结构等方面的研究进展，及现今存在的挑战和未来发展策略。关键词：混凝土；本征自感知；填料；电学性能；智能；结构中图分类号：TU37 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.06.ST02

INTRINSIC SELF-SENSING CONCRETE FOR SMART STRUCTURES

DING Si-qi1 , HAN Bao-guo2 , OU Jin-ping2

(1. School of Civil and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Shenzhen, Guangdong 518055, China;2. School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning 116024, China)

⼟⽊⼯程概论-正⽂第⼀章绪论第⼀节⼟⽊⼯程的定义、特点与作⽤⼀、⼟⽊⼯程的定义⼟⽊⼯程在国务院学位委员会的学科简介中,被定义为建造各类⼯程设施的科学技术的总称,它既指⼯程建设的对象(建在地上⼆地下⼆⽔中的各种⼯程设施),也指⼯程建设所应⽤的材料⼆设备和所进⾏的勘测⼆设计⼆施⼯⼆保养⼆维修等技术三从该定义看出,⼟⽊⼯程具有以下的三层含义三第⼀层,⼟⽊⼯程是指各类⼯程设施,即⼯程建设的对象三⼯程设施的范围⾮常⼴泛,既包含建造在地上或地下⼆陆上或⽔中,直接或间接为⼈类⽣活⼆⽣产⼆⼯作⼆科研⼆国防服务的各种⼯程设施,⼜包含运河⼆⽔库⼆⼤坝⼆⽔渠等⽔利⼯程设施三如房屋建筑⼯程⼆道路⼯程⼆铁路⼯程⼆管道运输⼯程⼆隧道⼯程⼆桥梁⼯程⼆运河⼯程⼆堤坝⼯程⼆港⼝⼯程⼆电站与输变电站⼯程⼆飞机场⼯程⼆海洋平台⼯程⼆给⽔排⽔⼯程⼆防灾减灾⼯程⼆防护⼯程等三第⼆层,⼟⽊⼯程是指⼯程建设所需的⼯程材料和⼯程机械设备三其中,⼯程机械设备既包括⽣产⼟⽊⼯程材料的⽣产机械,也包括⼟⽊⼯程建设过程中的施⼯机械三第三层,⼟⽊⼯程是指⼀门学科三这既指勘察⼆测绘⼆规划⼆设计等科学技术活动,也指施⼯⼆维护⼆维修⼆保养⼆改造⼆加固⼆运⾏管理等⽣产技术活动,还包括⼟⽊⼯程材料性能试验⼆⼯程结构性能试验⼆⼯程安全性检测等试验技术活动三⼟⽊⼯程是⼀个涉及⾯极⼴的普适性⾏业三⼟⽊⼯程的英⽂为C i v i l E n g i n e e r i n g,意为民⽤⼯程 ,它的原意是与军事⼯程 (M i l i t a r y E n g i n e e r i n g)相对应的,即指除了服务于战争设施以外的⼆⼀切为了⽣活和⽣产所需要的民⽤⼯程设施的总称,但后来,这个界定就不那么明确了三按照学科的划分,地下防护⼯程⼆航天发射塔架等设施也属于⼟⽊⼯程的范畴三⽬前,⼟⽊⼯程已发展出许多分⽀,如房屋建筑⼯程⼆铁路⼯程⼆道路⼯程⼆飞机场⼯程⼆桥梁⼯程⼆隧道及地下⼯程⼆特种⼯程结构⼆给⽔排⽔⼯程⼆城市供热供燃⽓⼯程⼆港⼝⼯程⼆⽔利⼯程等学科三其中,有些分⽀,如⽔利⼯程,由于⾃⾝⼯程对象的不断增多及专门科学技术的发展,已从⼟⽊⼯程中分化出来成为独⽴的学科体系,但是它们在很⼤程度上仍具有⼟⽊⼯程的共性三⼟⽊⼯程的要素和⽬的如图11所⽰三10 2 0⼆、⼟⽊⼯程的特点⼟⽊⼯程作为⼀门应⽤科学技术,具有以下⼏个基本属性三1.综合性建造⼀项⼯程⼀般要经过勘察⼆设计⼆施⼯和运⾏管理四个阶段,需要运⽤⼯程地质勘察⼆⼯程测量⼆⼟⼒学⼆⼯程⼒学⼆⼯程设计⼆建筑材料⼆建筑设备⼆⼯程机械⼆建筑经济⼆⼯程管理等多个学科的知识,因⽽⼟⽊⼯程是⼀门涉及学科范围众多的综合性学科三2.社会性⼟⽊⼯程的发展伴随着⼈类社会的进步和社会不同历史时期的科学技术⼆管理⽔平的提⾼⽽发展三它所建造的⼯程设施反映出各个历史时期社会经济⼆⽂化⼆科学⼆技术发展的⽔平,因⽽⼟⽊⼯程也成为社会历史发展的见证之⼀三例如,远古时代,⼈们就开始修筑简陋的房舍⼆道路⼆桥梁和沟渠,以满⾜简单的⽣活和⽣产需要三后来,⼈们为了适应战争⼆⽣产⼆⽣活及宗教传播的需要,兴建了城池⼆运河⼆宫殿⼆寺庙及其他各种建筑物,如我国的长城⼆都江堰⼆京杭⼤运河(见图12)等三(a)京杭⼤运河实景图(b)地图上的⼤运河图12京杭⼤运河3.实践性影响⼟⽊⼯程的因素既多⼜错综复杂,因⽽⼟⽊⼯程是具有很强实践性的学科三在早期,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三从17世纪开始,以伽利略和⽜顿开始研究的近代⼒学同⼟⽊⼯程实践结合起来,逐渐形成以材料⼒学⼆结构⼒学⼆流体⼒学⼆⼟⼒学⼆岩体⼒学等作为⼒学理论框架的应⽤学科三这样⼟⽊⼯程才逐渐从经验发展成为科学三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三从古⾄今,不少⼯程问题的处理,在很⼤程度上仍然依靠实践经验三4.技术、经济和艺术的统⼀性⼟⽊⼯程既然是为⼈类⽣活⼆⽣产和娱乐服务的,那么它必然与社会相应历史时期的技术⼆经济和艺术相协调⼆相统⼀三⼈们⼒求建造最经济的⼯程设施,⽤以满⾜使⽤者的各种3需求(包括审美要求)三⽽⼀项⼯程的经济性⼜和各项技术活动密切相关,如⼯程选址⼆总体规划⼆设计和施⼯技术等,这些都影响着⼯程建设的总投资⼆⼯程建成后的经济效益和使⽤期间的维修费⽤三5.建造过程的单项性⼟⽊⼯程⼀般按照建设单位的设计任务书和招标要求进⾏单项设计⼆单项施⼯,并且多数是在⾃然环境中建造三⼟⽊⼯程的建造周期较长,⼤⾃然和社会环境的风险较多,因⽽建造过程中的质量和安全问题⼗分重要三三、⼟⽊⼯程的地位与作⽤1.⼟⽊⼯程是关乎⼈类⽣存的基础性产业⼈类⽣存与⽣活离不开⾐⼆⾷⼆住⼆⾏四件⼤事,⽽⼟⽊⼯程密切联系着每个⼈⽣活中的这四件事三(1)⾐:纺纱⼆织布⼆制⾐等均要在⼯⼚内进⾏,这与⼟⽊⼯程间接有关三(2)⾷:打井取⽔(见图13),筑渠灌溉,建⽔库蓄⽔,建粮⾷加⼯⼚⼆粮仓⼆冷库等,这都与⼟⽊⼯程间接有关三(3)住:⼈类的⽣活⼆⽣产离不开房屋建筑,这与⼟⽊⼯程直接有关三(4)⾏:铁路(见图14)⼆公路⼆机场⼆港⼝⼆码头⼆运河等交通⼯程设施离不开⼟⽊⼯程,这与⼟⽊⼯程直接有关三图13 坎⼉井图14 铁路轨道2.⼟⽊⼯程是国民经济发展的带动性⾏业1)⼟⽊⼯程涉及⾏业众多⼟⽊⼯程的上游和下游企业很多,涉及多个部门,如冶⾦⼆建材⼆机械制造⼆运输等⾏业三⼟⽊⼯程物资消耗占全国总消耗量的⽐例分别为钢材25%⼆⽊材40%⼆⽔泥70%⼆玻璃76%⼆塑料25%⼆运输量28%三⼟⽊⼯程的发展带动了相关产业的发展和繁荣三图15 三峡⼤坝2)⼟⽊⼯程是挖掘和吸纳劳动⼒资源的重要平台⼟⽊⼯程属于劳动密集型产业,其容纳的就业⼈数占全社会劳动者⼈数的8%左右,是转移农村富余劳动⼒,解决就业问题的主要途径三同时⼟⽊⼯程的劳务输出是我国对外输出的重要⽅⾯三3)⼟⽊⼯程可以⼤幅度拉动国民经济增长政府扩⼤内需采取积极的财政政策时,重要的资⾦投向就是⼟⽊⼯程⽅⾯的基础建设三⼀些⼤型基本建设⼯程,投资⾮常巨⼤,如京九铁路全长超过2000k m ,预算投⼊超过400亿元;举世闻名的三峡⼯程(见图15),混凝⼟⽤量达2.643?400107m3,总库容3.93?1010m3,决算总投资超过2000亿元;京沪⾼铁⼯程⼆南⽔北调⼯程⼆西⽓东输⼯程⼆青藏铁路⼯程等的总投资均超过千亿元三4)⼟⽊⼯程能够吸收⼤量的消费资⾦当⼈民的⽣活⽔平提⾼到⼀定程度时,社会消费资⾦会有较⼤幅度的增加三这时,会出现三种情况:⼀是增加消费,使消费资⾦转化为⽣产资⾦,从⽽刺激⽣产,使经济向良性循环的⽅向发展;⼆是消费结构不合理,市场存在供不应求现象,这时消费资⾦的⼤幅增加会引起通货膨胀;三是储蓄资⾦增加,这对市场是潜在的压⼒,却不能通过市场机制⽤于⽣产,若处理不当则可能引起⽣产萎缩三如果后两种情况同时存在,问题就更为严重三许多国家的经验都表明,把社会消费资⾦(包括储蓄)吸引到住宅消费上来是⼀个两全其美的办法三⼀⽅⾯为社会消费资⾦提供了良好的出路,另⼀⽅⾯为⼟⽊⼯程提供了⼤量的⽣产资⾦,从⽽达到引导消费⼆调整消费结构,促进⽣产的效果三5)⼟⽊⼯程是国家实现经济宏观调控的重要⽅法⼟⽊⼯程对国民经济的发展有⼀定的调节作⽤,因此当国民经济处于萧条期时,可以通过扩⼤国家对公共事业的投资,如市政⼯程⼆⾼速公路等,使⼟⽊⼯程不衰落下去,这样也就刺激了与⼟⽊⼯程密切相关的⾏业的发展,从⽽引起对其他⾏业需求的螺旋式增长,使国民经济不出现经济萧条(或者可以缓解国民经济萧条的程度)三反之,当国民经济出现过热现象时,国家可通过压缩公共投资规模⼆取消对住宅消费的优惠政策等措施,抑制⼟⽊⼯程的发展,这样也就抑制了其他⾏业的发展,使国民经济⾛上稳定发展的轨道三我国实⾏的是社会主义市场经济,⼟⽊⼯程对国民经济的调节作⽤是通过扩⼤或压缩固定资产投资规模来实现的三例如,2008年由美国两房危机引发的全球⾦融海啸也波及我国,我国⽴即出台了4万亿的救市措施,其中60%属于基础设施和民⽣⼯程,这些都与⼟⽊⼯程有关三6)⼟⽊⼯程设施是国家财富的重要组成部分⼟⽊⼯程产值在国内⽣产总值中占有重要地位,能为社会创造新价值,为国家增加财富积累三长期以来,我国建筑业所创造的总产值和增加值,在社会总产值和国民⽣产总值中分别占到10%和6%左右的份额三⼟⽊⼯程创造的固定资产在固定资产形成总值中占有很⼤⽐重三据联合国统计,各国⽤于房屋建造的投资占国民经济⽣产总值的6%~12%三此外,⼟⽊⼯程也是政府财政收⼊的重要来源,其每年提供的税利额⼀般可占政府财政收⼊的10%~40%三7)⼟⽊⼯程是关系国计民⽣的⽀柱产业⼟⽊⼯程是国民经济的重要物质⽣产部门,是国民经济和社会发展的物质技术基础三⼟⽊⼯程建造的产品转给使⽤者之后,就形成了各种⽣产性和⾮⽣产性的固定资产三它是国民经济各物质⽣产部门和交通运输部门进⾏⽣产的⼿段,是⼈民⽣活的重要物质基础三美国和其他⼀些西⽅国家把⼟⽊⼯程与钢铁⼯业⼆汽车⼯业并列为国民经济的三⼤⽀柱,我国⼀直将⼟⽊⼯程与⼯业⼆农业⼆交通运输业⼆商业合称为五⼤物质⽣产部门,可见⼟⽊⼯程在国民经济中所占地位的重要三8)⼟⽊⼯程能够创收外汇,增加国家收⼊5⼟⽊⼯程⾛向国际承包市场,既能发展经济⼆扩⼤影响,⼜可以带动资本⼆技术⼆劳务⼆设备及商品输出创收外汇,这为国家的出⼝创汇⼯作起到不可磨灭的作⽤三3.⼟⽊⼯程在国防军事建设中的作⽤从古代最原始的军事⼯程,到当今现代化的军事建设,⼟⽊⼯程都⼀直发挥着相当重要的作⽤三特别是在军事防御⽅⾯,⼟⽊⼯程的作⽤更为突出三1)古代军事中⼟⽊⼯程的作⽤在冷兵器时代时,⼟⽊⼯程在军事防御过程中⼀直处于相当重要的位置三例如,我国长城(见图16)的修筑是为了抵御北⽅的游牧民族侵袭,从秦朝起⼀直到明朝,长城始终在军事防御上发挥着⽆可替代的作⽤三⼜如,在世界范围内,古代的城池多是以⾼⾼的城墙包围着城市,再以护城河围护着城墙,以抵御敌⼈的进攻(见图17)三毫不夸张地说,在冷兵器时代,⼟⽊⼯程的建设对于⼀个国家有着决定存亡的重要性三图16长城图17古代城堡2)近代军事中⼟⽊⼯程的作⽤在近代,⼟⽊⼯程在军事防御建设中的作⽤依然重要三如碉堡(见图18),其⽤砖⼆⽯⼆钢筋混凝⼟等建成,主要作⽤是防守三第⼆次世界⼤战(简称⼆代)时期,碉堡在德国作为避难所,在苏联作为储存场所,在⽇本和其他国家作为军事检查堡垒三在当今社会,碉堡可能已经失去了曾经在军事防御中的重要地位,但在某些领域依然具有重要的⽤途,如在恐怖袭击中作为避难所三⼜如防空洞(见图19),其能够有效保护⼈们的⽣命安全,减⼩敌军空袭带来的损失,因此,⽬前⼏乎所有的城市中⾼楼⼤厦下⾯都有防空洞三图18英国⼆战时的碉堡图19西柏坡防空洞3)当代军事中⼟⽊⼯程的作⽤当代军事技术发展迅速,新型武器不断地被研制出来,传统模式的攻击⽅式已经发⽣改变三⾯对不同的攻击⽅式,需要有不同的防御措施三在⾼技术⼆信息化的战争中,⼟⽊⼯程的作⽤显得尤为重要,不仅在军事防御中有着重要的战略意义,在军事建设的很多⽅⾯都有着重要作⽤,如军⽤机场的建设,⽔下潜艇基地的建设,核电站⼆核设施的建设,军港的建设, 06导弹发射塔的建设,以及军事抢险等三第⼆节⼟⽊⼯程的发展历史⼈类⾃出现以来,为了满⾜住和⾏及⽣产活动的需要,从构⽊为巢⼆掘⼟为⽳的原始操作开始,到今天能建造摩天⼤厦⼆万⽶长桥,以⾄移⼭填海的宏伟⼯程,经历了漫长的发展过程三在这期间,⼟⽊⼯程的发展可以分为古代⼆近代和现代三个阶段三⼀、古代⼟⽊⼯程古代⼟⽊⼯程有着很长的时间跨度,它⼤致从新⽯器时代(公元前5000年)开始⾄17世纪中期三随着年代的推移,古代⼟⽊⼯程具有代表性的有以下⼏个三(1)中国黄河流域的仰韶⽂化遗址和西安半坡村遗址三仰韶⽂化(公元前5000 前3000年)是我国新⽯器时代的⼀种⽂化,1921年⾸次发现于河南渑池仰韶村,分布于黄河中下游流域,有残⽳和平⾯为圆形⼆⽅形和多室联排呈矩形的地⾯建筑残迹(见图110)三西安半坡村遗址(公元前4800 前3600年,于1954年开始发掘)有很多圆形房屋的痕迹,经分析它们是直径为5~6m圆形房屋的⼟墙(见图111),墙内竖有⽊柱,⽀撑着⽤茅草做成的屋⾯,茅草下有起龙⾻作⽤的密排树枝三半坡村遗址中现仍有⽊柱底的残⽳和⼀些地⾯建筑残迹三图110河南仰韶⽂化遗址图111西安半坡村遗址(2)埃及法⽼陵墓建筑群吉萨⾦字塔群(见图112)三其建于公元前27世纪,以古王国第四王朝法⽼胡夫的⾦字塔最⼤三胡夫⾦字塔(见图113)塔基呈⽅形,每边长230.5 m,⾼约146m,⽤230多万块巨⽯砌成三塔内有甬道⼆⽯阶⼆墓室等三图112吉萨⾦字塔群图113胡夫⾦字塔7(3)中国长城三公元前7世纪的春秋时期,楚国开始建造绵延数百⾥的长城;秦统⼀中国(公元前221年)后,将战国时期各国修筑的⾃卫长城连接起来,使其长约2500k m 三之后,汉朝⼆南北朝⼆隋朝直⾄明朝都曾⼤规模修筑长城三⽬前西起嘉峪关,东⾄⼭海关绵延约8850k m 的长城,是明代遗留下来的三图114 都江堰(4)中国四川的都江堰三始建于战国时期秦昭王末年(公元前256 前251年)的四川都江堰⼤型引⽔枢纽(见图114),是世界历史上最长的⽆坝引⽔⼯程三此⼯程以灌溉为主,兼有防洪⼆⽔运⼆供⽔等多种功能,⼀直沿⽤⾄今三其规模之⼤⼆规划之周密⼆技术之合理,均为前所未有三(5)⼟⽿其的索菲亚⼤教堂(见图115)三公元532 537年建造于君⼠坦丁堡(今⼟⽿其伊斯坦布尔)的索菲亚⼤教堂为砖砌穹顶(圆形球壳)三穹顶直径约33m ,⾼约55m ,⽀承在⼤跨砖拱和⽤巨⽯砌筑的巨型柱(截⾯约7m?10m )上三(6)中国河北的赵州桥(见图116)三赵州桥⼜称安济桥,坐落在河北省赵县汶河上三其建于隋代⼤业年间(公元605 618年),由著名匠师李春设计和建造,距今已有1400多年的历史,是世界上现存最早⼆保存最完善的敞肩式单孔圆弧⼸形⽯拱桥三赵州桥全长50.82m ,桥⾯宽约10m ,跨度37.02m ,采⽤28条并列的⽯条砌成拱券三拱券⽮⾼7.23m 三拱上设有4个⼩拱,这些⼩拱既能减轻桥⾝⾃重,⼜便于排洪,且更显美观三该桥在材料使⽤⼆结构受⼒⼆艺术造型和经济上都达到极⾼成就三图115 ⼟⽿其的索菲亚⼤教堂图116赵州桥图117 应县⽊塔 (7)中国⼭西应县⽊塔(图117)三应县⽊塔即佛宫寺释迦塔,建成于公元1056年,为⼋⾓形,塔⾼67.3m ,底层直径30.27m 三该塔共9层,其中8层是⽤3m 左右长的⽊柱⽀顶重叠⽽成,为⼀内外两环柱⽹⼆⽤交圈的扶壁拱组成的双层套筒式结构三应县⽊塔是保存⾄今的唯⼀⽊塔,也是我国现存的最⾼⽊结构之⼀三它经多次⼤地震仍完整⽆损,⾜以证明我国历史上⽊结构建筑的辉煌成就三(8)中国的宫殿及庙宇建筑三中国历代封建王朝建造的⼤量宫殿和庙宇建筑都是⽊构架结构三⽊构架结构是⽤⽊梁⼆⽊柱做成承重⾻架,⽤⽊质⽃拱做成⼤800挑檐,四壁墙体都是⾃承重隔断墙的⼀种结构(见图118)三图118报国寺(9)西欧的教堂建筑三以意⼤利⽐萨⼤教堂(见图119)和法国巴黎圣母院(见图1 20)为代表的西欧教堂建筑,都采⽤了砖⽯拱券结构三图119意⼤利⽐萨⼤教堂图120法国巴黎圣母院在这个历史时期,⼟⽊⼯程所⽤的材料最早只是当地的天然材料,如泥⼟⼆砾⽯⼆树⼲⼆树枝⼆⽵⼆茅草⼆芦苇等三后来发展了⼟坯⼆⽯材⼆砖⼆⽡⼆⽊⼆青铜⼆铁⼆铅以及混合材料(如草筋泥⼆混合⼟等)三⼟⽊⼯程的⼯艺技术,最早只是利⽤⽯斧⼆⽯⼑等简单⼯具,后来发展了斧⼆凿⼆钻⼆锯⼆铲等青铜和铁质⼯具,兴起了窑制和煅烧加⼯技术,以及打桩机⼆桅杆起重机等施⼯机械三⼯程上的分⼯也⽇益细致,分化为⽊⼯⼆⽡⼯⼆泥⼯⼆⼟⼯⼆窑⼯⼆雕⼯⼆⽯⼯⼆彩画⼯等三但是,在这个历史时期内,除了有⼀些经验总结和形象描述⼟⽊⼯程的著作,如中国的‘考⼯记“(公元前5世纪)⼆‘营造法式“(公元1100年),意⼤利的‘论建筑“(⽂艺复兴时期阿尔贝蒂著)外,⼟⽊⼯程还缺乏理论上的依据和指导三⼆、近代⼟⽊⼯程近代⼟⽊⼯程的时间跨度为从17世纪中期⾄20世纪中期的300年三这个历史时期内⼟⽊⼯程的主要特征是:①有⼒学和结构理论作为指导;②砖⼆⽡⼆⽊⼆⽯等建筑材料得到⽇益⼴泛的使⽤,混凝⼟⼆钢材⼆钢筋混凝⼟以及早期的预应⼒混凝⼟得到发展;③施⼯技术进步很⼤,建造规模⽇益扩⼤,建造速度⼤⼤加快三在这个历史时期,以下⼏件⼤事具有重要意义三(1)意⼤利学者伽利略在1638年出版的著作‘关于两门新科学的谈话和数学证明“中,9论述了建筑材料的⼒学性质和梁的强度,⾸次⽤公式表达了梁的设计理论三(2)英国科学家⽜顿在1687年总结了⼒学三⼤定律,它们是⼟⽊⼯程设计理论的基础三(3)瑞⼠数学家欧拉1744年出版的‘曲线的变分法“建⽴了柱的压屈理论,得到计算柱的临界受压⼒的公式,为分析⼟⽊⼯程结构物的稳定问题奠定了基础三(4)1825年,纳维建⽴了⼟⽊⼯程中结构设计的容许应⼒分析法;19世纪末,⾥特尔等⼈提出极限平衡的概念三他们都为⼟⽊⼯程的结构理论分析打下了基础三(5)1824年,英国⼈阿斯普丁取得了波特兰⽔泥的专利权,1850年开始⽣产⽔泥三⽔泥是形成混凝⼟的主要材料,这使得混凝⼟在⼟⽊⼯程中得到⼴泛的应⽤三后来,在20世纪初,有⼈发表了⽔灰⽐等学说,初步奠定了混凝⼟强度的理论基础三(6)1859年,贝塞麦转炉炼钢法(见图121)被发明了出来,使得钢材得以⼤量⽣产,并能越来越多地应⽤于⼟⽊⼯程三(7)1867年,法国⼈莫尼埃⽤铁丝加固混凝⼟制成花盆,并把这种⽅法推⼴到⼯程中,建造了⼀座蓄⽔池,这是应⽤钢筋混凝⼟的开端三1875年,他主持建造了第⼀座长16m的钢筋混凝⼟桥三图121贝塞麦转炉炼钢法图122布鲁克林⼤桥(8)1883年, 摩天楼之⽗詹莱在美国的芝加哥建造了11层住宅保险⼤楼三该楼是世界上最早⽤铁框架(部分钢梁)承受全部⼤楼⾥的重⼒,外墙仅为⾃承重墙的⾼层建筑三同⼀年(1883年),美国建成世界上第⼀座⼤跨钢悬索桥布鲁克林⼤桥(见图122),其跨度为(930+1595+930)f t[(284+486+284)m]三1889年,法国在巴黎建成⾼300m的埃菲尔铁塔,该塔使⽤钢约8000t三它们是近代⾼层建筑结构的萌芽三此外,由奥蒂斯在19世纪50年代初期发明的安全升降机也使⾼层建筑成为可能三升降机最先采⽤的是蒸汽动⼒升降机,直到1857年在纽约才安装了第⼀台⼈乘坐的升降机三(9)1886年,美国⼈杰克逊⾸先应⽤预应⼒混凝⼟制作建筑配件,后⼜⽤它制作楼板三1930年,法国⼯程师弗涅希内将⾼强度钢丝⽤于预应⼒混凝⼟,克服了因混凝⼟徐变造成所施加的预应⼒完全丧失的问题三于是,预应⼒混凝⼟在⼟⽊⼯程中得到⼴泛应⽤三(10)⼟⽊⼯程在铁路⼆公路⼆桥梁建设中得到⼤规模发展三代表成果有以下⼏个⽅⾯三①1825年,英国⼈斯蒂芬森在英格兰北部斯托克顿和达灵顿之间修筑了世界第⼀条铁路,长约21k m三1863年,英国在伦敦建成了世界第⼀条地下铁道三②1779年,英国⽤铸铁建成跨度为30.5m的拱桥;1826年,英国⽤锻铁建成⼀座跨度为177m的悬索桥;1890年,英国⼜建成两孔主跨达521m的悬臂式桁架梁桥三⾄此,现代01桥梁的3种基本形式(梁桥⼆拱桥⼆悬索桥)相继出现三图123 詹天佑设计的⼈字形铁路③1905 1908年,中国铁路⼯程先驱詹天佑建造了京张(北京张家⼝)铁路(见图123)三该铁路全长约200k m ,造价仅为当时西⽅各国在中国建造铁路每千⽶造价的1/3~1/2三京张铁路的修筑技术达到了当时的世界先进⽔平,其中,⼋达岭隧道长1091m ⼆列车爬坡3.33%,使该路成为当时的世界奇迹三④1931 1942年,德国率先修筑了总长约3860k m 的⾼速公路⽹三三、现代⼟⽊⼯程第⼆次世界⼤战结束之后,许多国家经济起飞,现代科学技术迅速发展,从⽽为⼟⽊⼯程的进⼀步发展提供了强⼤的物质基础和技术⼿段,开始了以现代科学技术为后盾的⼟⽊⼯程新时代三现代⼟⽊⼯程有如下的特点三1.⼟⽊⼯程功能化⼟⽊⼯程功能化,即⼟⽊⼯程⽇益同它的使⽤功能或⽣产⼯艺紧密结合,主要表现在以下三⽅⾯三(1)公共和住宅建筑物要求建筑⼆结构⼆给⽔排⽔⼆采暖⼆通风⼆供燃⽓⼆供电等现代技术设备结合成整体三(2)⼯业建筑物往往要求恒温⼆恒湿⼆防微振⼆防腐蚀⼆防辐射⼆防⽕⼆防爆⼆防磁⼆除尘⼆耐⾼(低)温⼆耐⾼(低)湿,并向⼤跨度⼆超重型⼆灵活空间⽅向发展三图124 海上采油平台(3)发展⾼技术和新技术对⼟⽊⼯程提出⾼标准要求三例如,发展核⼯业需要建造安全度极⾼的核反应堆和核电站;研究微观世界需要建造技术要求极⾼的加速器⼯程;发展海洋采⼆炼⼆储油事业要求建造多功能的海洋⼯程,如海上采油平台(见图124)⼆海上炼油⼚⼆海底油库等三2.城市建设⽴体化20世纪中期以来,城市建设有以下三个趋向三(1)⾼层建筑⼤量兴起图125 迪拜哈利法塔由于城市⼈⼝⼤量集聚,密度猛增,造成城市⽤房紧张⼆地价⾼昂,这迫使建筑物向空间发展,不少国家的⾼层建筑⾯积⼏乎占整座城市建筑⾯积的30%~40%三美国的⾼层建筑数量很多,⾼度在160~200m 的建筑就有100多幢三20多年来,中国⼆马来西亚⼆新加坡⼆韩国等国家的⾼层建筑得到很⼤的发展三⽬前,世界最⾼的钢筋混凝⼟结构建筑为450m ⾼的马来西亚⽯油双塔⼤厦;最⾼的钢混组合结构为828m ⾼的迪拜哈利法塔(见图125)三110图126 地下铁道 (2)地下⼯程⾼速发展地下⼯程,如地下铁道(见图126)⼆地下商业街⼆地下停车库⼆地下体育馆⼆地下影剧院⼆地下⼯业⼚房⼆地下仓库等,发展迅速,在有些城市已经形成规模宏⼤的地下建筑群三(3)城市⾼架公路⼆⽴交桥⼤量涌现例如,北京从1974年开始建造第⼀座全互通式⽴交桥图127 ⽴交桥起,仅⾄1996年就建成各种形式和不同类型的道路⽴交桥160余座三它们的修建,不仅缓解了城市交通的拥挤⼆堵塞现象,⽽且为城市建设的⾯貌增添了风采(见图127)三3.交通运输⾼速化交通运输⾼速化的标志有以下⼏个三(1)⾼速公路的⼤规模修建据不完全统计,21世纪初,全世界有60多个国家和地区拥有⾼速公路,总长约1.7?105k m ,其中有近20个国家和地区拥有1000k m 以上,如美国约8.4?104k m ,德国约9?103k m 三我国2016年年底时⾼速公路通车⾥程已达12.45?104k m ,成为世界第⼀⾼速公路⼤国三⾼速公路已在⼀定程度上取代了铁路三(2)⾼速铁路的出现和⼤量发展1964年10⽉,⽇本东京⾄⼤阪的新⼲线⾏车速度达到210k m /h ,为普通铁路列车⾏车时速的3倍三1981年,法国巴黎到⾥昂的⾼速铁路运⾏时速⾼达270k m ,把⾼速铁路的发展推向新阶段三1983年,德国建设了⼀条长32k m 的磁悬浮列车试验线,⾏驶速度达412k m /h 三我国⾼速铁路起步于2005年,2010年开通的京沪⾼速铁路设计速度300k m /h,全长1318k m ,投资2000多亿元,是⽬前世界上⼀次建成的最长的⾼速铁路(见图128)三2017年年底,全国铁路营业⾥程12.7?104k m ,其中⾼铁2.5?104k m ,占世界⾼铁总量的66.3%,铁路电⽓化率⼆复线率分别居世界第⼀和第⼆三图128 和谐号列车(3)长距离海底隧道的出现⽇本的青函海底隧道越过津轻海峡,连接本州(青森)与北海道(函馆),长53.85k m ,是世界上最长的海底铁路隧道三它埋深100m ,海⽔深度为140m 三英法之间的英吉利海峡隧道于1990年贯通,它长50.5k m ,最浅处埋深45m ,海⽔深度60m 三上海黄浦江打浦路隧道210是我国第⼀条⽔底隧道,于1970年建成通车,全长2.76k m三四、未来⼟⽊⼯程由于社会发展出现了以上三⽅⾯要求,必然使得构成⼟⽊⼯程的三个要素(材料⼆施⼯和设计理论),以及⼯程教育理论出现了新的发展趋势三1.建筑材料的轻质⾼强化现在,建筑材料正向轻质⾼强化发展三其中,普通混凝⼟向轻集料混凝⼟⼆加⽓混凝⼟和⾼性能混凝⼟⽅向的发展尤其迅速三混凝⼟的密度由2400k g/m3降⾄600~1100k g/m三抗压强度由20~40M P a提⾼到60~100M P a,其他性能也得到了很⼤改善三此外,钢材在向低合⾦⼆⾼强度⽅向发展三⼀批轻质⾼强材料,如铝合⾦⼆建筑塑料⼆玻璃钢得到了迅速发展三2.施⼯过程的⼯业化⼆装配化在现代⼟⽊⼯程中,出现了在⼯⼚⾥成批⽣产房屋⼆桥梁等的各种构配件⼆组合体,再将它们运到建设现场进⾏拼装的施⼯⽅式三此外,各种先进的施⼯⼿段,如⼤型吊装设备⼆混凝⼟⾃动搅拌输送设备⼆现场预制模板⼆⽯⽅⼯程中的定向爆破等,得到很⼤发展三3.设计理论的精确化⼆科学化设计理论精确化⼆科学化表现为理论由线性分析到⾮线性分析,由平⾯分析到空间分析,由单个分析到系统的综合整体分析,由静态分析到动态分析,由经验定值分析到随机分析乃⾄随机过程分析,由数值分析到模拟试验分析,由⼈⼯⼿算⼆⼈⼯做⽐较⽅案⼆⼈⼯制图到计算机辅助设计⼆计算机优化设计⼆计算机制图三此外,⼟⽊⼯程学的学科理论,如可靠性理论⼆⼟⼒学和岩体⼒学理论⼆结构抗震理论⼆动态规划理论⼆⽹格理论等得到迅速发展三4.⼯程教育理念的⼯程化随着20世纪中期以后科学⼆技术和⼯业化的迅猛进展,⼯程教育的理念也在不断进步三许多国家的⼯程教育从侧重⼯程技术教育进步到侧重⼯程科学教育三20世纪90年代,美国⼯程教育界提出回归⼯程 ,强调技术和科学教育的内容必须与⼯程实践紧密结合,成为⼯程教育三不久之后,美国⿇省理⼯学院校长⼜提出⼤⼯程观(E n g i n e e r i n g w i t h a b i g E) 的教育理念,它指的是⼯程教育所培养的⼈才要有宏⼤的⼯程视野⼆多学科⼯程知识及其所需要的科学基础素养,以及相应的⼈⽂情怀和⼯程组织素养三这些⼯程教育理念已为我国⾼等⼯程教育所重视三第三节⼟⽊⼯程专业的发展及执业注册制度⼟⽊⼯程专业是最古⽼的⼯程类专业,在世界上已有上百年的历史,在社会发展的各个时期,都需要⼟⽊⼯程类的专业⼈才三⽬前,⼟⽊⼯程专业在两类学校⾥设置:⾼等学校,包括普通⾼等学校和⾼等职业技术学校,主要⽬的是培养⼟⽊⼯程师;中等专科学校,主要培养的是⼟⽊⼯程技术⼈员三31世界上最早培养⼟⽊⼯程师的⼤学是法国的巴黎路桥学校(于1747年创办)三此后,英国⼆德国等西⽅国家相继在⼤学⾥设置了⼟⽊⼯程专业三中国近代⼟⽊⼯程教育事业开始于1895年创办的天津北洋西学学堂(后称为北洋⼤学,现在天津⼤学的前⾝)三经过⼀个多世纪的努⼒,特别是新中国成⽴后改⾰开放40多年的迅速发展,截⾄2018年,我国开设⼟⽊⼯程专业的本科院校已超过400所,培养能从事⼟⽊⼯程设计⼆施⼯⼆管理⼆咨询⼆监理等⽅⾯⼯作的专业技术⼈员;开设建筑⼯程技术专业的⾼职(专科)院校超过600所,培养在⼯程建设⼆设计⼆施⼯⼆管理及相关企业第⼀线从事⽣产⼆技术管理等⽅⾯⼯作的⾼等技术应⽤型⼈才三⼀⼆我国⼟⽊⼯程专业发展历史沿⾰1.新中国成⽴前1896年,本着实业救国的理想,清朝末期⼤⼒兴办现代⼤学教育,⼯科学科的设置基本上学习英国与美国,⼟⽊⼯程是最早开办的专业之⼀三当时实⾏学年学分制,即读满四年,满130~140个学分⽅可毕业,取得⼯学学⼠学位三此阶段的⼟⽊⼯程教学没有明确的专业,没有统⼀的教学计划,更没有教学⼤纲,各校⼟⽊系开课很不⼀致,开设的课程很⼴泛三基本课程有数学⼆理论⼒学⼆材料⼒学⼆结构⼒学⼆测量学等三专业课程有钢结构⼆钢筋混凝⼟结构和⽊结构等,其余课程则因授课教师⽽异,如建筑构造⼆道路设计⼆铁道曲线等三所⽤的教材基本上是英国与美国的,内容较浅显三2.新中国成⽴初期1952年⼤规模院系调整,使⼟⽊⼯程学科设置发⽣了较⼤的变化,全国成⽴了⼀批以⼟建为主的单科性学校,如同济⼤学⼆中南⼟建学院等,⾄改⾰开放前(1978年),开办⼟建类专业的学校约40所三所设⽴的⼯业与民⽤建筑专业专攻房屋建筑,道路专业专攻道路,采⽤学年学时制,即学习四年(1955年后普遍改⽤五年制)并满⾜⼀定的学时后⽅可毕业三当时的课程门数多⼆学时数及周数多,很少开设选修课三。