課題二　土木工程發展簡史

土木工程從起源至今經歷了漫長的發展過程，在漫長的演變和發展過程中，不斷地注入了新的內涵。它與社會、經濟、科學技術的發展密切相關，而就其本身而言，則主要圍繞著材料、施工技術、力學與結構理論的演變而不斷發展。

土木工程經歷了古代、近代、現代三個歷史時期。

一、古代土木工程

古代土木工程是從新石器時代開始，到公元17世紀工程結構有了定量的理論分析為止。這一時期，人類實踐應用簡單的工具，依靠手工勞動，沒有系統的理論，但是在此期間人類發明了燒制的瓦和磚，這是土木工程發展史上的一件大事，同時，人類也建造了不少輝煌而偉大的工程。

隨著歷史的發展，人類社會的進步，人們開始掘地為穴、搭木為橋，開始了原始的土木工程。在中國黃河流域的仰韶文化遺址（公元前5000～前3000年）中，發現了遺存淺穴和地面建筑。西安半坡村遺址（公元前4800～前3600年）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，如圖1-1所示。洛陽王灣的仰韶文化遺址（公元前4000～前3000年）中有一座面積為200m2的房屋，墻下挖有基槽，槽內有卵石，這是墻基的雛形。

英格蘭的索爾茲伯里的石環，距今已有四千余年，石環直徑約32m，單石高達6m，采用巨型青石近百塊，每塊重達10t，石環間平放著厚重的石梁，這種梁柱結構方式至今仍為建筑的基本結構體系之一。大約公元前3世紀出現了經過燒制的磚和瓦，在構造方面，形成了木構架、石梁柱等結構體系，還有許多較大型土木工程。

隨著生產力的發展，私有制取代了原始的公有制，奴隸社會代替了原始社會。在奴隸社會里，奴隸主利用奴隸們的無償勞動力，建造了大規模的建筑物，推動了社會文明的進步，也促進了建筑技術的發展。古代的埃及、印度、羅馬等先后建造了許多大型建筑、橋梁、輸水道等。

埃及的吉薩金字塔群（建于公元前2700～前2600年）如圖1-2所示，它造型簡單、計算準確、施工精細、規模宏大，是人類偉大的文化遺產。

公元前5世紀～前4世紀，在我國河北臨漳，西門豹主持修筑引漳灌鄴工程。公元前3世紀中葉，在今四川灌縣，李冰父子主持修建都江堰，解決圍堰、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。長城原是春秋戰國時各諸侯國為互相防御而修建的城墻。秦始皇于公元前221年統一全國后，為防御北方匈奴貴族的侵犯，于公元前214年在魏、趙、燕三國修建的土長城的基礎上進行修繕。明代為了防御外族的侵擾，前后修建長城18次，西起嘉峪關，東至山海關，總長6700km，成為舉世聞名的萬里長城，如圖1-4所示。

歐洲以石拱建筑為主的古典建筑在這一時期就已達到了很高的水平。早在公元前4世紀，羅馬采用券拱技術砌筑下水道、隧道、渡槽等土木工程；在建筑工程方面則繼承和發展了古希臘的傳統柱式，如萬神廟（公元120～124年）的圓形正殿屋頂，直徑43.43m，是古代最大的圓頂廟。意大利的比薩大教堂建筑群、法國的巴黎圣母院教堂（公元1163～1127年），均為拱券結構。圣保羅主教堂是英國最大的教堂，是英國古典主義建筑的代表，教堂內部進深141m，翼部寬30.8m，中央穹頂直徑34m，頂端離地111.5m。

古希臘是歐洲文化的搖籃，公元前5世紀建成的以帕提農神廟為主體的雅典衛城，是最杰出的古希臘建筑，造型典雅壯麗，用白色大理石砌筑，廟宇宏大，石制梁柱結構精美，在建筑和雕刻上都有很高的成就，是典型的列柱圍廊式建筑，如圖1-5所示。

古羅馬建筑對歐洲乃至世界建筑都產生了巨大的影響。古羅馬大斗獸場在功能、形式與結構上做到了和諧統一，建筑平面成橢圓形，長軸188m，短軸156m，立面為4層，總高48.5m，場內有60排座位，80個出入口，可容納4.8～8萬名觀眾，如圖1-6所示。

我國古代建筑的一大特點是木結構占主導地位。現存高層木結構實物，當以山西應縣佛宮寺釋迦塔（建于1056年）為代表，塔身外觀5層，內有4個暗層，共有9層，高67m，平面成八角形，是世界上現存最高的木結構之一。

古代土木工程在建筑工程上取得巨大成績的同時，在其他方面也取得了重大成就。秦朝在統一中國后，修建了以咸陽為中心的通向全國的馳道，形成了全國規模的交通網。在歐洲，羅馬建設了以羅馬為中心，包括29條輻射主干道和322條聯絡干道，總長達78000km的羅馬大道網。道路的發展推動了橋梁工程的發展，橋梁結構最早為行人的石板橋和木梁橋，后來逐步發展成石拱橋。現保存最完好的我國最早石砌拱橋為河北趙縣的安濟橋，又名趙州橋，如圖1-7所示。它建于公元595～605年，為隋朝匠人李春設計并參加建造，該橋全部用石灰石建成，全長50.83m，凈跨37.02m，矢高7.23m，矢跨比小于1/5，橋面寬9m。該橋在材料使用、結構受力、藝術造型和經濟上都取得了極高的成就。

在水利工程方面，公元前3世紀，中國秦代在今廣西興安開鑿靈渠，總長34km，落差32m，溝通湘江、漓江，聯系長江、珠江水系，后建成使用“湘漓分流”的水利工程。運河為人工開挖的水道，用以溝通不同的河流、水系和海洋，連接重要城鎮和礦區，發展水上運輸。公元7世紀初，我國隋代開鑿修建的京杭大運河，全長2500km，它北起北京，經天津市和河北、山東、江蘇、浙江四省，南至杭州，是世界歷史上最長的運河，至今該運河的江蘇、浙江段仍是重要的水運通道。這一時期，城市建設和工藝技術方面也都取得了很多成績。人們在大量建造土木工程的同時，注意總結經驗，促進意識的深化，編寫了許多優秀的土木工程著作，出現了許多優秀的工匠和技術人才，如中國的《木經》《營造法式》（李誠著），意大利的《論建筑》（阿爾貝蒂著）等。

二、近代土木工程

從17世紀中葉到20世紀中葉的300年間，土木工程有了飛速迅猛的發展。伽利略在1638年出版的著作《關于兩門新科學的談話和數學證明》中，論述了建筑材料的力學性能和梁的強度。1687年牛頓總結的力學運動三大定律是土木工程設計理論的基礎。瑞士數學家歐拉在1744年出版的《曲線的變分法》中建立了柱的壓屈公式。1773年法國工程師庫侖著的《建筑靜力學各種問題極大極小法則的應用》一文說明了材料的強度理論及一些構件的力學理論。18世紀下半葉，瓦特發明的蒸汽機的使用推動了產業革命，為土木工程提供了多種建筑材料和施工機具，同時也對土木工程提出了新的要求。

1824年英國人J·阿斯普丁發明了波特蘭水泥，1856年轉爐煉鋼法取得成功，兩項發明為鋼筋混凝土的產生奠定了基礎。1867年法國人J·莫尼埃用鋼絲加固混凝土制成了花盆，并把這種方法推廣到工程中，建造了一座貯水池，這是鋼筋混凝土應用的開端。1875年他主持建造成第一座長16m的鋼筋混凝土橋。1886年，在美國芝加哥建成的9層家庭保險公司大廈，被認為是現代高層建筑的開端。1889年在法國巴黎建成高300m的埃菲爾鐵塔。

產業革命還從交通方面推動了土木工程的發展。蒸汽輪船的出現推動了航運事業的發展，同時也推動了港口和碼頭的修建、運河的開鑿。蘇伊士運河建于1859～1869年，貫通蘇伊士海峽，連接地中海和紅海，從塞得港至陶菲克港，長161km，連同深入地中海和紅海的河段，總長173km，河面寬60～100m，平均水深15m，可通8萬噸巨輪，使從西歐到印度洋間的航程比繞道非洲好望角縮短了5500～8000km。1825年G·斯蒂芬森建成了從斯托克特到達靈頓的長21km的第一條鐵路，1869年美國建成橫貫北美大陸的鐵路，20世紀初俄國建成西伯利亞鐵路。1863年英國倫敦建成世界上第一條地鐵，長6.7km。1819年英國馬克當筑路法明確了碎石路的施工工藝和路面鎖結理論。在橋梁工程方面，1779年英國用鑄鐵建成了跨度30.5m的拱橋，1826年英國T·特爾福德用鍛鐵建成了跨度177m的梅奈懸索橋。1890年英國福斯灣建成兩孔主跨達521m的懸臂式桁架梁橋。19世紀，設計理論進一步發展并有所突破，土木方面的協會、團體也相繼出現。

第一次世界大戰以后，道路、橋梁、房屋大規模出現。道路建設方面，瀝青混凝土開始用于高級路面。1931～1942年德國首先修筑了長達3860km的高速公路網。1918年加拿大建成魁北克懸臂橋，跨度548.6m。1937年美國舊金山建成金門懸索橋，跨度1280m，全長2825m。

隨著工業的發展和城市人口的增多，大跨度和高層建筑相繼出現。1925～1933年在法國、蘇聯和美國分別建成了跨度達60m的圓殼、扁殼和圓形懸索屋蓋。中世紀的石砌拱終于被殼體結構和懸索結構取代。1931年美國紐約的帝國大廈落成，共102層，高378m，結構用鋼5萬多噸，內有電梯67部，可謂集當時技術之大成，它保持世界房屋最高紀錄達40年之久。

1886年美國人P·H杰克遜首次應用預應力混凝土制作建筑構件后，預應力混凝土先后在一些工程中得到應用并得到進一步發展。超高層建筑相繼出現，大跨度橋梁也不斷涌現，至此土木工程開始向現代化邁進。

水利建設方面宏偉的成就是兩條大運河的建成通航，一條是1869年開鑿成功的蘇伊士運河，將地中海和印度洋連接起來，這樣從歐洲到亞洲的航行不必再繞行南非；另一條是1914年建成的巴拿馬運河，它將太平洋和大西洋直接聯系起來，在全球運輸中發揮了巨大作用。

必須看到，近代土木工程的發展是以西方土木工程的發展為代表的，這一時期的中國，由于清政府采取閉關鎖國的政策，土木工程技術進展緩慢，直到清末洋務運動開始后，才引進了一些西方的先進技術，并建造了一些對中國近代經濟發展有影響的工程。例如：1909年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。1889年唐山設立水泥廠。1910年開始生產機制磚。1934年上海建成24層的國際飯店，21層的百老匯大廈。1937年已有近代公路11萬公里。中國土木工程教育事業開始于1895年的北洋大學（今天津大學）和1896年的北洋鐵路官學堂（今西南交通大學）。1912年成立中華工程師學會，詹天佑為首任會長。20世紀30年代成立中國土木工程學會。

三、現代土木工程

現代土木工程以社會生產力的現代發展為動力，以現代科學技術為背景，以現代科學材料為基礎，以現代工藝與機具為手段高速地向前發展。

現代土木工程是以第二次世界大戰后為起點。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的時代。從世界范圍來看，現代土木工程具有以下特點：

1．土木工程功能化

現代土木工程的特征之一是工程設施同它的使用功能或生產工藝緊密地結合在一起。現代土木工程已超出了它的原始意義的范疇，隨著各行各業飛速發展，其他行業對土木工程提出了更高的要求，土木工程必須適應其他行業的發展要求。土木工程與其他行業的關系越來越密切，它們相互依存、相互滲透、相互作用、共同發展。例如大型擋水壩的混凝土澆筑量達數千萬立方米，有的高爐基礎達數千萬立方米。滿足土木工程特殊功能要求的特種工程結構也發展起來。如核工業的發展帶來了新的工程類型。目前世界上已有30多個國家或地區建有核電站。根據國際原子能機構（IAEA）統計，截至2012年12月底，共有437臺核電機組在運行，總裝機容量約3.7億千瓦。核電站主要分布在北美的美國、加拿大，歐洲的法國、英國、俄羅斯、德國和東亞的日本、韓國等一些工業化國家。

隨著社會的進步，經濟的發展，現代土木工程也要滿足人們日益增長的對物質和文化生活的需要，現代化的公用建筑和住宅工程融各種設備及高科技產品成果于一體，不再僅僅是傳統意義上的只是四壁的房屋。

2．城市建設立體化

城市在平面上向外擴展的同時，也向地下和高空發展，高層建筑成了現代化城市的象征。美國的高層建筑數量最多，高度在160～200m的建筑就有100多幢。1973年在美國芝加哥建成高達443m的西爾斯大廈，如圖1-8所示，其高度比1931年建造的紐約帝國大廈高出65m左右。2010年在阿拉伯聯合酋長國建成高828m的迪拜塔，目前世界最高，如圖1-9所示。總高為632m的上海中心大廈為中國第一高樓，位居世界第三。

圖1-8　美國西爾斯大夏

圖1-9　阿拉伯聯合酋長國迪拜塔

地鐵、地下商店、地下車庫和油庫日益增多。道路下面密布著的電纜、給水、排水、供熱、煤氣、通信等管網構成了城市的脈絡。現代城市建設已成為一個立體的、有機的整體，對土木工程各個分支以及它們之間的協作提出了更高的要求。

3．交通運輸高速化

市場經濟的繁榮與發展，對運輸系統提出了快速、高效的要求，而現代化技術的進步也為滿足這種要求提供了條件。現在人們常說“地球越來越小了”，這是運輸高速化的結果。

高速公路出現于第二次世界大戰前，但到戰后才在各國大規模興建。據不完全統計，全世界80多個國家和地區擁有高速公路，我國《國家公路網規劃（2013年—2030年）》提出，未來我國公路網總規模約580萬公里，其中國家公路約40萬公里。在40萬公里的國家公路中，普通公路網26.5萬公里，國家高速公路網11.8萬公里，還有1.8萬公里的展望線。鐵路運輸在公路、航空運輸的競爭中也開始快速化和高速化。速度在150～200km/h以上的高速鐵路先后在日本、法國和德國建成。截止至2018年末，我國鐵路營業總里程是13.2萬公里，這個數字比1949年增長了5倍；高鐵從無到有，現在通車里程達到2.9萬公里，居世界第一。上海引進磁懸浮高速鐵道系統，其試驗速度已達500km/h以上，目前已建成并投入商業營運。飛機是最快捷的運輸工具，但成本高、運輸量小。二戰以后飛機的容量愈來愈大，功能愈來愈多，因此，許多國家和地區相繼建設了先進的大型航空港。1974年投入使用的巴黎戴高樂機場，擁有4條跑道，跑道面層混凝土厚400mm，機場占地面積2.995×107m2，高峰時每分鐘可起降2～3架飛機。美國芝加哥國際機場，年吞吐量4000萬人次，高峰時每小時起降飛機200架次，居世界第一。我國在北京、上海、香港新建或擴建的機場均已跨入世界大型航空港之列。這種龐大的空中交通設施，對機場的導航系統、客貨出入分流系統、安全檢查系統、故障緊急救援系統均有很嚴格的要求，完成這樣巨大的航空港建設沒有現代土木工程技術是不能實現的。

4．工程設施建設大型化

為了滿足能源、交通、環保及大眾公共活動的需要，許多大型的土木工程在二戰后陸續建成并投入使用。

古代建設交通道路是“逢山開路，遇水架橋”，但真的遇到大江大河或高山險嶺，還是得繞行。如我國長江，直到1956年才有了第一座跨江大橋。有了現代化的施工技術，跨江河甚至跨海灣的大橋陸續建成。自1937年美國金門懸索橋一跨超過千米以后，目前已有6座懸索橋的跨度超過了金門大橋。其中，日本明石海峽大橋，主跨1991m，于1998年建成，它連接了日本的本洲與四國島，是目前世界上跨度最大的懸索橋。居世界第二位的是中國的西堠門大橋，跨度1650m，于2009年建成。第三大跨為丹麥的大貝爾特東橋，主跨1624m，于1998年建成。居世界第二位的是中國的楊泗港長江大橋，跨度1700m，于2019年建成。第三大跨為中國的西堠門大橋，主跨1650m，于2009年建成。

在拱橋方面，南斯拉夫克爾克二號混凝土拱橋跨度達390m，在相當長的時間內位居世界第一。現在位居世界第一的是中國的重慶朝天門長江大橋，主跨552米，全長1741米，若含前后引橋段則長達4881米，建成于2009年，第二大跨的為中國的上海盧浦大橋，主跨550米，直線引橋全長3900米，建成于2003年，居世界第三位的是美國的美國新河峽谷大橋，主跨518米，建成于1977年。

斜拉橋是二戰以后出現的新橋型。排名第一的是2012年建成的俄羅斯的俄羅斯島大橋，主跨徑長1104m，第二的是在建的中國的滬通長江大橋，主跨徑長1092m，第三為2008年建成的中國的蘇通長江大橋，主跨徑為1088m。

在隧道方面，近代開鑿了許多穿過大山或越過大江、海峽的通道。目前世界上最長隧道是2016年建成的瑞士的圣哥達基線隧道，全長57.1km，其次為日本的青函海峽隧道，長53.9km，于1988年建成通車。

在高層建筑方面，1994年美國芝加哥建成的西爾斯大廈，110層，高443m。目前中國最高的建筑為上海中心大廈，118層，高632m。國內其他有代表性的高層建筑有：上海金茂大廈，高420.5m；深圳地王大廈，高325m；廣州中天廣場，高321.9m；廣東國際會議中心，高200m。

在高聳結構方面，東京晴空塔，其高度為634.0m，于2011年11月17日獲得吉尼斯世界紀錄認證為“世界第一高塔”，為世界之冠；第二位則為2009年建成的中國的廣州塔，高600m。在大跨度建筑方面，主要是體育館、展覽廳和大型儲罐。如美國西雅圖的金群體育館為鋼結構穹球頂，直徑達202m。法國巴黎工業展覽館的屋蓋跨度為218m×218m，由裝配式薄殼組成。北京工人體育館為懸索屋蓋，直徑90m。于2019年9月25日正式投入運營的北京大興國際機場，占地140萬平方米，相當于63個天安門廣場的大小。屋頂投影面積相當于25個足球場，用鋼量達到5.5萬噸，等于一個北京鳥巢，是全球最大的單體航站樓。日本于1993年建成的預應力混凝土液化氣儲罐，容量達14×104m3。瑞典、挪威、法國等歐洲國家，在地下巖石中修建不襯砌的油庫和氣庫，其容量高達幾十萬甚至上百萬立方米。

為了滿足日益增加的能源要求，海上采油平臺、核發電站等也加快了建造速度。20世紀50年代才開始和平利用核能建造原子能電站，目前中國大陸地區在用核電機組達38臺，裝機容量約3700萬千瓦；在建18臺，裝機容量約2100萬千瓦，分列世界第四和世界第一。再如海上采油平臺，全世界已有300多座，中國在渤海、東海和南海也建有多座采油鉆井平臺，正在開采海底石油。這種平臺所處環境惡劣、荷載復雜、施工困難而功能要求很高，平臺的建造可以顯示其土木工程的技術水平。

水利工程中筑壩蓄水，對灌溉、航運、發電有許多益處。目前世界上最高的水壩為在建的中國的雙江口水電站，建成后壩高314m，其次為中國的小灣水電站，壩高294.5m，第三為瑞士的大迪克桑斯壩，是世界最高的混凝土重力壩，壩高285m。為了減小壩體斷面，減少工程量，二戰后發展了鋼筋混凝土拱壩。當今世界上最高的雙曲拱壩是俄羅斯的英古里壩，壩高272m。我國貴州烏江渡壩為拱形重力壩，壩高165m。在裝機發電容量方面，超過1×107kW的電站有3座，分別為美國大古里水電站，總裝機容量1030×104kW；委內瑞拉水電站，裝機容量1083×104kW；我國的三峽水利樞紐，水電站主壩高190m，總裝機容量2250×104kW，名列世界第一，巴西-巴拉圭的伊泰普水電站，總裝機容量為l400×104kW，居世界第二，排名第三的為中國的溪洛渡水電站，總裝機容量為1386×104kW。

綜觀土木工程歷史，中國在古代土木工程中擁有光輝成就，至今仍有許多歷史遺存，有的已列入世界文化遺產名錄，在近代卻進展很慢，這與封建時代末期落后的制度有關。近20年來，中國的土木工程取得了舉世矚目的成就。以往在列舉世界有名的土木工程時，只有長城、故宮、趙州橋等古代建筑，而現在無論是高層建筑、大跨橋梁，還是宏偉機場、港口碼頭，中國在前十名中均有建樹，有的已列前三名，甚至第一名。這些成就均是改革開放以來取得的。