第三節 土木工程發展簡史

土木工程主要圍繞材料、施工技術、力學與結構理論的演變而不斷發展，其發展史大致可以劃分為古代、近代和現代三個歷史時期。

1．古代土木工程

古代土木工程時間跨度大致從舊石器時代到17世紀中葉，所使用的材料最早為當地的泥土、石塊、樹枝、竹、茅草和蘆葦等，后來開發出土坯、石材、木材、磚、瓦、青銅和鐵等材料。古代土木工程所用的工具，最早只是石斧、石刀等簡單工具，后來開發出斧、鑿、錘、鉆、鏟等青銅和鐵質工具，并研制了打樁機、桅桿起重機等簡單施工機械。古代土木工程建設主要依靠實踐生產經驗，缺乏設計理論指導。

人類文明初始時期，掘地為穴，搭木為橋。在中國黃河流域的仰韶文化遺址中，遺存著淺穴和地面建筑，建筑平面有圓形、方形和多室聯排的矩形。洛陽王灣有一座面積200m2的房屋，墻下挖有基槽，槽內有卵石，是墻基的雛形。在西安半坡遺址中，有很多圓形房屋，直徑5～6m，室內豎有木柱來支撐上部屋頂，四周密排一圈小木樁，用以承托屋檐結構，如圖1.1所示。

英格蘭的索爾茲伯里石環，距今已有4300年的歷史，采用巨型青石近百塊，每塊重達10t，石環直徑約32m，單塊巨石高達6m，石環間平放厚重石梁，此梁柱結構至今仍為建筑基本結構體系之一。公元前3世紀左右出現了燒制的磚瓦，開始出現木構架和石梁柱等結構，并建造了許多大型的土木工程。

隨著社會文明的進步，古代的埃及、印度和羅馬等先后建造了許多大型建筑、橋梁和輸水道等建筑物。如埃及金字塔，造型簡單，計算準確，施工精細，規模宏大，是人類偉大的文化遺產，如圖1.2所示。

在我國公元前3世紀中期，李冰父子在現今四川都江堰市主持修建了都江堰，解決了圍堰、防洪、灌溉以及水陸交通問題，是世界上最早的綜合性大型水利工程，如圖1.3所示。我國利用黃土高原的黃土創造了夯土技術，河南省偃師市二里頭早商的宮殿群采用夯筑式淺基礎，安陽殷墟遺存有夯土臺基，都說明當時的夯土技術已經成熟。萬里長城從公元前7世紀開始修建，秦統一六國后，為防御北方匈奴的侵犯，在魏、趙、燕三國土長城的基礎上進行了修繕和擴建。明朝又對長城進行了大規模的整修，東起鴨綠江，西至嘉峪關，全長達7000km以上。萬里長城主要為磚石結構，有些地段采用夯土結構，在沙漠中則采用紅柳、蘆葦與沙粒層層鋪筑的結構。

作為歐洲文化的搖籃，古希臘在公元前5世紀建成了以巴臺農神廟為主體的雅典衛城，采用白色大理石砌筑，造型典雅莊麗，廟宇宏大，石質梁柱造型精美，是典型的列柱圍廊式結構，在建筑和雕刻上都具有很高的成就，如圖1.4所示。

古羅馬建筑對世界建筑產生了巨大影響。古羅馬大斗獸場建筑平面為橢圓形，長軸188m，短軸156m，立面為4層，總高為48.5m，場內有60排座位，可容納4.8～8萬名觀眾，在功能、形式和結構上做到了和諧統一，如圖1.5所示。

我國古代建筑主要以木結構為主，現存高層木結構建筑，當以山西應縣佛宮寺釋迦塔（應縣木塔，1056年建）為代表，塔身外觀5層，內有4個暗層，共9層，高67.31m，平面為八角形，是世界上現存最高的木結構之一。

我國古代不但在建筑上取得了輝煌成就，其他方面也取得了巨大成績。秦朝統一中國后，修建了以咸陽為中心的通向全國的馳道，形成了輻射全國的交通網。道路的發展推動了橋梁結構的發展，橋梁結構最早為行人的石板橋和木梁橋，后來發展為石拱橋。秦朝咸陽修建的渭河橋，為68跨木構梁式橋。公元前60年就有了鐵鏈懸索橋，四川瀘定縣大渡河的鐵索橋建于1706年，橋跨100m，橋寬約2.8m?，F存最完好的石拱橋為河北趙縣的安濟橋，又名趙州橋。該橋建于公元595—605年，全部采用石灰石建成，全長50.83m，凈跨37.02m，矢高7.23m，矢跨比小于1/5，橋面寬9m。在材料使用、結構受力、藝術造型和經濟上該橋都達到了極高的成就，如圖1.6所示。

在水利工程方面也有新的成就。公元前3世紀秦朝在廣西開鑿靈渠，總長34km，落差32m，溝通湘江、漓江，聯系長江和珠江水系。京杭大運河是世界上建造最早、長度最長的人工河道，開鑿于春秋戰國時期，隋朝時期全部完工，迄今已有2400多年歷史。京杭大運河由北京到杭州，流經河北、山東、江蘇和浙江四省，溝通海河、黃河、長江、淮河和錢塘江五大水系，全長1794km，至今京杭大運河的江蘇段和浙江段仍是重要的水運通道，如圖1.7所示。

歐洲以石拱建筑為主的古典建筑也達到了很高的水平。公元前4世紀，羅馬采用拱券技術砌筑下水道、隧道渡槽等。羅馬的萬神廟（120—124年），采用圓形正殿屋頂，直徑43m多，是古代最大的圓頂廟。意大利的比薩大教堂和法國巴黎圣母院大教堂，均為拱券結構。圣保羅主教堂中央穹頂直徑34m，頂端距地面110m多，是英國最大的教堂，為英國古典主義建筑的代表。

人們在建造大量土木工程的同時，注意總結經驗，撰寫了諸多優秀的土木工程著作，涌現了出眾的工匠和技術人才，如我國的《木經》、李誡的《營造法式》和意大利阿爾貝蒂的《論建筑》等。

2．近代土木工程

從17世紀中期到第二次世界大戰前后，土木工程有了革命性進展，逐漸形成了一門獨立學科。鑄鐵、鋼材和鋼筋混凝土等材料日益廣泛使用。材料力學、理論力學、結構力學、土力學和工程結構設計理論等學科逐步形成，確保了工程結構的安全性和經濟性。新的施工工藝和施工機械不斷涌現，建造規模擴大，建設速度加快，可以建設房屋、橋梁、道路、鐵路、隧道、港口、市政等設施。

伽利略的梁設計理論闡述了建筑材料的力學性質和梁的強度，是彈性力學的開端，歐拉的壓屈理論給出了柱臨界壓屈荷載的計算公式，與牛頓力學三大定律為土木工程奠定了力學分析的基礎。復形理論、振動理論和彈性穩定理論等在18世紀相繼產生，使土木工程作為一門學科逐步建立起來。

18世紀末期，瓦特發明了蒸汽機，為土木工程提供了多種施工機具。1824年英國人J．阿斯普丁發明了波蘭特水泥，1856年轉爐煉鋼法取得成功，為鋼筋混凝土的產生奠定了基礎。1875年法國人J．莫尼埃主持修建了第一座鋼筋混凝土橋。1886年，美國芝加哥建成了9層家庭保險公司大廈，首次按照獨立框架設計，并采用鋼梁，被認為是現代高層建筑的開端。法國巴黎建成了高300m的埃菲爾鐵塔，使用熟鐵近8000t。土木工程的施工方法在這個時期實現了機械化和電氣化，打樁機、壓路機、挖土機、掘進機、起重機和吊裝機等施工機械紛紛出現，可以高效快速地建設各種設施。1825年，英國首次使用盾構法開鑿了泰晤士河隧道，如圖1.8所示。1906年，瑞士修筑了通向意大利的辛普朗隧道，長19.8km，使用了大量黃色炸藥和鑿巖機等先進設備。1869年美國建成了橫貫北美大陸的鐵路，20世紀初俄國建成了西伯利亞鐵路。1863年英國倫敦建成了世界上第一條地鐵。

橋梁工程方面，1779年英國用鑄鐵建成了30.5m的拱橋，1826年英國建成了梅奈鐵鏈懸索橋，跨度達177m。1890年英國福斯灣建成了兩孔懸臂式桁架梁橋，主跨達521m。1918年，加拿大建成了魁北克懸臂橋，跨度為548.6m。1932年，澳大利亞建成了悉尼港橋，為雙鉸鋼拱結構，跨度503m，用鋼量38萬噸。1937年，美國舊金山建成了金門懸索橋，跨度1280m，全長2825m，塔高227m，每根鋼索重64120kN，由27000根鋼絲絞成。

由于工業發展和城市人口增多，大跨度高層建筑相繼出現。1931年，美國紐約帝國大廈竣工，共102層，高381m，有效面積16萬m2，用鋼量約5萬余噸，內設67部電梯，配備有復雜管網系統，集當時技術成就之大成。帝國大廈從動工到交付只用了19個月，平均每5天搭建一層樓，如圖1.9所示。

在引進西方的先進技術后，我國也先后建造了一些大型土木工程。1889年唐山設立水泥廠。1909年，由詹天佑主持的京張鐵路建成，全長200km，達到當時世界先進水平。1934年上海國際飯店建成，高達24層。1937年已有近代公路11萬km。我國的土木工程教育事業開始于1895年的北洋公學（今天津大學）和1896年的北洋鐵路官學堂（今西南交通大學）。1912年中國土木工程學會成立。

3．現代土木工程

在現代科學技術推動下，現代土木工程迅猛發展。以第二次世界大戰結束為起點，由于經濟復蘇，科學技術得到飛速發展，土木工程也進入了新時代。從世界范圍看，現代土木工程為了適應社會經濟發展的需求，顯示出以下特征。

（1）功能多樣化

現代公用建筑和住宅建筑要求結構具有良好的采光、通風、保溫、隔音、減噪、防火、抗震及生態等功能。工業建筑物往往要求恒溫、恒濕、防微塵、防腐蝕、防輻射、防火、防爆、防磁、除塵、耐高溫及耐高濕等特點，并向大跨度、超重型、靈活空間方向發展。發展高科技和新技術也對土木工程提出高標準要求，如核反應堆、核電站等核工業建筑需要極高的安全度，海洋采煉、儲油事業需要多功能的海洋工程建筑物（見圖1.10）?，F代土木工程的使用功能多樣化程度不但反映了現代社會的科學技術水平，也折射出土木工程學科的發展水平。

（2）城市立體化

隨著經濟發展和人口增長，城市用地更加緊張，交通更加擁擠，迫使房屋建筑和道路交通向高空和地下發展。高層建筑成了現代化城市的象征，如美國芝加哥的西爾斯大廈，高422m，超過了紐約帝國大廈的高度。由于設計理論的進步和材料的改進，現代高層建筑出現了新的結構體系，如剪力墻和筒中筒結構。臺北101大廈位于中國臺灣臺北市信義區，2004年建成，高508m，地上101層，地下5層，為了減少強風對建筑物的影響，臺北101大廈在87～92樓安裝了一個730t重的鋼球風阻尼器。防震措施方面，臺北101大廈采用新式的巨型結構，在大樓的四個外側分別各有兩支巨柱，共八支巨柱，每支截面長3m、寬2.4m，自地下5樓貫通至地上90樓，柱內灌入高密度混凝土，外以鋼板包覆。阿聯酋迪拜摩天大樓高828m，是世界第一高樓，如圖1.11所示。上海金茂大廈位于陸家嘴金融貿易區，1998年建成，高421m，地上88層，地下3層。同時，城市高架公路和立交橋不斷涌現，城市地下空間開發也如火如荼。地下鐵道與建筑物連接，形成地下商業街。城市道路下面密布著電纜、給水、排水、供熱、供燃氣的管道，構成城市脈絡?，F代城市已經發展成了一個立體有機的系統，對土木工程各個分支及協作提出了更高的要求。

（3）交通高速化

第二次世界大戰后，各國大規模修建高速公路。目前全世界已有80多個國家和地區擁有高速公路，通車總里程超過了25萬km。我國第一條高速公路——滬嘉高速公路——于1988年建成，全長20.5km。目前我國高速公路通車里程已達400萬km，位居全球第二。鐵路也出現了電氣化和高速化的趨勢。日本的新干線：鐵路行車時速210km/h以上，法國巴黎至里昂的高速鐵路運行時速為260km/h。我國的京滬高速鐵路，正線全長大約1318km，設計時速為350km/h，全線鋪設無縫線路和無碴軌道，采取多種減振、降噪、低能耗、少電磁干擾的環保措施，全線實行防災安全實時監控。2009年12月，武廣高速鐵路正式投入運營，如圖1.12所示，最高時速394km/h，創造了當時世界高速鐵路的最高運營速度。我國青藏鐵路2006年7月正式通車，全長1956km，是世界上海拔最高、線路最長、穿越凍土里程最長的高原鐵路。連接英國和法國的英吉利海峽海底隧道于1994年5月正式運營，該隧道全長50.5km，是當時世界上最長的隧道。2010年4月，我國最長海底隧道——膠州灣海底隧道全線貫通，隧道全長7.8km，設計時速80km/h。航空業也得到迅速發展，航空港遍布世界各地。世界上國際貿易港口超過了2200個，并出現了大型集裝箱碼頭。

（4）材料輕質高強化

普通混凝土向輕骨料混凝土、加氣混凝土和高性能混凝土方向發展，鋼材的發展趨勢是采用低合金鋼。高強鋼絲、鋼絞線和粗鋼筋大量生產，使得預應力混凝土結構在橋梁、房屋等工程中得以推廣。強度等級為500～600號的水泥在工程中普遍應用。如美國休斯頓的貝殼廣場大樓，如采用普通混凝土則只能建35層，改用陶?；炷梁螅灾卮鬄闇p輕，用同樣的造價可以建造52層。高強鋼材和高強混凝土結合使預應力結構得到較大發展，如我國重慶長江大橋的預應力T構橋，跨度達174m。鋁合金、鍍膜玻璃、建筑塑料、石膏板和玻璃鋼等工程材料發展迅速。

（5）施工過程工業化

大規?，F代化建設使中國、俄羅斯和東歐的建筑標準達到了很高的程度。人們積極推行工業化生產方式，在工廠中成批地生產房屋、橋梁的各種配件和組合體等，如圖1.13所示。多種現場械化施工方法也發展迅猛，高聳結構施工廣泛采用同步液壓千斤頂滑升模板。此外，鋼制大型模板、大型吊裝設備與混凝土自動化攪拌樓、混凝土自動化攪拌輸送車和泵送混凝土技術等相結合，形成了一套現場機械化施工方法。

現代化技術使許多復雜工程成為現實，我國寶成鐵路有80%的線路穿越山嶺地帶，橋隧相連；成昆鐵路橋隧總長占全長的40%；我國的川藏公路、青藏公路和青藏鐵路直通世界屋脊。現代化的盾構施工使得隧道施工進度加快，精度提高。在土石方工程中廣泛采用定向爆破，解決了大量土石方施工的難題。

（6）理論研究精密化

計算力學、動態規劃法、結構動力學、網絡理論、隨機過程論和濾波理論等理論及方法不斷涌現，并隨著計算機的普及進入土木工程各個領域。靜態的、確定的、線性的、單個的分析逐漸被動態的、隨機的、非線性的、系統與空間的分析所代替。電子計算機使高次超靜定分析成為可能，也可以進行大跨度橋梁分析與設計。如我國的中央電視臺總部大樓和鳥巢體育館，采用了大型計算機進行計算和分析。材料特性、結構分析、結構抗力計算和極限狀態理論在土木工程各個分支中充分發展，基于作用效應和結構抗力概率分析的可靠性理論進入土木工程，工程地質、巖土力學也蓬勃發展，為開發地下和水下工程建立了理論指導。