1 绪 论
本章导读：
●基本要求 熟悉土木工程的含义以及专业的地位和作用；了解土木工程专业的性质和特点；了解土木工程项目建设程序和管理体制；了解土木工程的发展历史和发展趋势。
●重点 土木工程的含义，专业发展历史和发展趋势。
●难点 土木工程的含义以及专业的发展、地位和作用。
1.1 土木工程的任务和特性
1.1.1 什么是土木工程
什么是“土木工程”？中国国务院学位委员会在学科简介中是这样定义的：“土木工程是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，即建在地上、地下、水中的各种工程设施，也指所应用的材料、设备和所进行的勘测设计、施工、保养、维修等技术”。
作为科学技术的一个独立分支，土木工程的学科体系产生于18世纪的英、法等国。英文“Civil Engineering”中的Civil原意为民用的、非军事的，所以Civil Engineering可以直译为民用工程，与军用工程相对应。不过，这个界限早已被打破，现在已经把军用的战壕、浮桥、防空洞等防护工程纳入土木工程的范畴。在古代，土木结构物一般是由土和木作为工程材料，这就是中文、日文中“土木工程”这一术语的由来。可以说土木工程关系到人类的衣食住行，是人类社会和产业的基础，是为了生活更加便利、高效、安全、舒适而创造和改变环境的技术。
土木工程的主要对象包括：土木工程结构；以土木工程结构为主体为发挥其职能所需的各种设施；上述工程结构和设施的建设或者说区域的开发和维护。所以，可以说土木工程专业是研究工程结构和设施的设置、实施过程中的构想、规划、设计、施工、维修管理及运行的学问。
1.1.2 土木工程的性质和特点
土木工程是国民经济和人们生活的重要物质技术基础，在国民经济中占有举足轻重的地位。土木工程的发展水平可以体现国民经济的综合实力，反映一个国家的现代化水平，也可以在一定程度上反映人们的生活状况。土木工程有以下基本性质：
1）公共性
如前所述，土木工程的目的是要为人类创造良好的社会生活环境，是一种公共福利事业。土木建筑业始终具有公共的性质，多是作为公共事业进行。所以，计划实施的土木工程项目应为广大民众所接受；所需投资较多的情况下，其费用应由政府或地方公共团体所支出，换句话说，其财源是一般公民的税金等财政收入。正因为如此，民众对土木建筑业的期待甚高；如果发生工程事故、引发了灾害或有渎职行为，其受到的责难远比其他行业如民营制造业高。
2）基础设施建设
基本建设是指国家或投资单位用一定资金来建造或购置固定资产的活动。在国民经济中，土木建筑业主要进行的是产业和生活基础设施的建设、设置和配备，例如铁道、公路和城市道路、水利设施、能源设施、上下水道、市民住宅等都属于此类。也就是说，土木工程的生产活动和基本建设有着密切的关系。在基本建设活动中，对于建筑物这一类固定资产的再生产，要经过土木建筑业在建设现场的生产活动才能实现，机器设备的安装工作也是由建筑业来完成的。
所以，作为基本建设就应较其他开发事业“先行”，这就要求具有先见之明、科学的构想、综合的把握、严密的计划性。特别是对于大规模的建设项目，就非个人所为，要依靠集体的力量、强有力的组织方能进行。
3）对象为大自然
土木建筑业是以大自然为对手的，地球表面是“表演”的舞台。土木工程建设的成果即结构物、或设施、或开发计划都是置于大自然之中。特别是大规模的工程建设对于自然环境的影响不可忽视。地质灾害和环境污染等都会引发自然与人类关系不相协调的局面。所以，在进行土木工程建设时，我们必须持有与自然界相共存的观念。与自然相协调的因素不单单是物理的，还有生物的、景观的，甚至还有居民的情感、风俗习惯等社会因素。
4）不可逆性质
对于大型土木工程结构物或大型设施，只能是一次建成，而不能采用反复试验的办法。而且一旦建成，即使将来不再需要，要拆除恢复原样也不是一件容易的事情。比如一座建成的大坝，一旦库区被泥沙溢满，就失去了蓄水的作用，但是却难以毁掉，从而对后续的工程带来影响。
5）工程周期长
土木工程（产品）实体庞大、个体性强、消耗社会劳动量大、影响因素多（如工程一般在野外进行时，将受到各种气候条件，如冬季、雨季、台风、高温等的制约），由此带来了生产周期长的特点。
1.1.3 土木工程项目建设程序和管理体制
土木工程建设工作涉及面广，内外协作配合环节多，建设周期长，建设过程中各项工作存在着一种内在的和固有的先后次序。人们在充分认识客观规律的基础上，制定出了基本建设全过程各个环节、各个步骤、各项工作必须遵守的先后顺序，称为基本建设程序。
我国现行的项目建设程序分为项目建议书阶段、可行性研究报告阶段、初步设计文件阶段、施工图设计阶段、建设准备阶段、建设实施阶段、竣工验收阶段和后评价阶段。
目前，国内外广泛采用的分派建设任务的交易方法为工程招标制。工程项目推行招标承包制，有利于开展竞争，鼓励先进，推动土木工程科学技术的发展；鞭策后进，督促淘汰陈旧、低效、落后的技术与管理方法。
建设监理是建设领域的一项科学管理制度。20世纪80年代中后期，随着建设管理体制改革的深化，参照国际惯例，我国开始逐渐实行这一制度。
1）业主
业主也称建设单位。业主是项目的拥有者、使用者、投资者和最高决策者。他可以是政府、企业、个人或其他法人集团。业主拥有对项目提出意向、制订目标、委托授权、提供条件（如投资、土地）、制定决策并支付报酬的权力和职能。
2）监理单位
建设监理是指对工程建设参与者的行为所进行的监控、督导和评价，并采取相应的管理措施，保证建设行为符合国家法律、法规和有关政策，制止建设行为的随意性和盲目性，促使建设进度、造价、质量按计划（合同）实现，确保建设行为的合法性、科学性、合理性和经济性。建设监理单位必须依法成立，具有自己的名称、组织机构、场所，并有与监理任务相适应的人员、资金和设施。
3）承包商
承包商就是承建单位。作为项目建设的乙方，他是承揽工程项目建设，为业主提供服务的经济实体。在设计阶段，设计单位是承包商；在施工期间，施工单位是承包商；材料供应，设备制造也是承包商。
业主通过招标确定的监理、设计、施工和设备供应等单位，与业主是经济合同关系，并为业主服务。在三方关系中，特别要强调的是监理工程师的公正性和独立性。
1.2 土木工程发展史
土木工程发展史大致可分为从新石器时代（约公元前60世纪—公元前50世纪）开始至公元17世纪中叶的古代史、从公元17世纪中叶到20世纪中叶（第二次世界大战前后）的近代史和20世纪中叶直到今天的现代史。
1.2.1 古代史
远古时代的土木建筑工程通常是由泥土、石头、茅草和树干等天然的材料建造的，后来约在五千年前出现了砖和瓦这种人工建筑材料，使人类第一次冲破了天然建筑材料的束缚。砖和瓦具有比土更优越的力学性能，可以就地取材，又易于加工制作。
在构造方面，形成了木构架、石梁柱、券拱等结构体系。
在工程内容方面，不仅有宫室、陵墓、庙堂，还有许多较大型的道路、桥梁、水利等工程。
在工具和机械方面，大约在5千年前，人类就开始使用青铜制的斧、凿、钻、锯、刀、铲等工具；后来铁制工具逐步推广，并有简单的施工和起重机械，也有了经验总结及形象描述的土木工程著作。
万里长城（见图1.1）、都江堰水利工程（见图1.2）、北京故宫、应县木塔（见图1.3）、欧洲的哥特式建筑巴黎圣母院（见图1.4）、埃及的金字塔（见图1.5）、赵州桥（见图1.6）等，都是古代土木工程的杰出代表。
图1.1 万里长城
图1.2 都江堰水利工程
图1.3 应县木塔
图1.4 巴黎圣母院
图1.5 埃及金字塔
图1.6 赵州桥
1.2.2 近代史
17世纪中叶开始的产业革命，带来了科学和技术的飞速发展，以英、法为代表的一些国家开始由以农业手工业生产为主，进入以工业生产为主的社会。这一时期，土木工程形成了独立学科，1771年在英国诞生了历史上第一个土木工程师协会。
工业革命使土木工程向大规模、高速度和多目标开发的方向发展。19世纪初开始，蒸汽机相继应用于船舶和轨道运输车辆，从此开始了近代交通运输的新纪元；1825年英国建成了世界上第一条铁路；19世纪末，随着内燃机的发明，制造出灵活机动的汽车，开始了现代的公路运输；人类开始建造水电站、大型水库以及综合水利枢纽工程。土木工程逐渐发展到包括房屋、道路、桥梁、铁路、隧道、港口、市政、卫生等工程建筑和工程设施，不仅能够在地面，而且有些工程还能在地下或水域内修建；20世纪初，内燃机应用于飞机，使航空运输得到了迅速发展。近代土木工程的特点主要表现在以下几个方面：
1824年，英国人阿斯普丁发明了硅酸盐水泥，从而带动了混凝土结构的发展，使土木工程建设进入到一个新的发展阶段；19世纪下半叶出现了钢筋混凝土，进一步推动了轻型混凝土结构的发展；转炉炼钢法的成功，极大地提高了钢材生产的产量和质量，这些成就奠定了土木工程发展的物质基础。随之，也涌现出了许多新的结构形式，如桁架、框架、组合结构等。直至现代，钢和混凝土仍然是土木工程结构的主要材料。
2）力学分析和结构设计理论指导地位的确立
1638年，伽利略建立了剪力梁设计理论；16世纪80年代，牛顿力学的创立奠定了土木工程结构的力学分析基础；欧拉在1744年建立了柱的压屈公式，算出了柱的临界压曲荷载，在分析工程构筑物的弹性稳定方面得到了广泛的应用；法国工程师库仑1773年写的著名论文《建筑静力学各种问题极大极小法则的应用》，阐明了材料的强度理论、梁的弯曲理论、挡土墙上的土压力理论及拱的计算理论。1825年世界上第一个结构设计方法——容许应力法诞生；材料力学、理论力学、结构力学、土力学、工程结构设计理论等学科分支逐步形成。人类突破了以现象描述、经验总结为主的古代科学的框框，创造出比较严密的逻辑理论体系，从而在土木工程方面完成了从靠经验和身手相传建造到科学理论指导设计和施工的转变，大大促进了土木工程向深度和广度发展。
3）施工机械和施工方法的进步
开挖、运输、起重等各种施工机械的制造和应用，以及适用于各种工程建造施工方法的进步提升了施工效率和水平。土木工程设施和结构的建造规模扩大，建造速度加快了。例如，1889年法国巴黎建成高300 m的埃菲尔铁塔（见图1.7），使用熟铁近8 000 t；1906年瑞士修筑通往意大利长19.8 km的辛普朗隧道（见图1.8），使用了大量黄色炸药以及凿岩机等先进设备；1932年，澳大利亚建成的悉尼港桥（见图1.9），采用了双铰钢拱结构，跨度达503 m；1931年美国纽约的帝国大厦（见图1.10）落成，共102层，高378 m，有效面积16万m2，结构用钢5万余吨，内装电梯67部，还有各种复杂的管网系统，可谓集当时技术成就之大成，保持世界房屋最高纪录达40年之久。
图1.7 埃菲尔铁塔
图1.8 辛普朗隧道
图1.9 悉尼港桥
图1.10 美国纽约的帝国大厦
1.2.3 现代史
第二次世界大战后，所经历的时间尽管只有几十年，但以计算机技术广泛应用为代表的现代科学技术的发展，使土木工程领域出现了崭新的面貌。现代土木工程在材料、理论、施工等方面显示出如下特点：
（1）材料轻质高强化
中国从20世纪60年代起普遍推广了锰硅系列和其他系列的低合金钢，大大节约了钢材用量并改善了结构性能。
高强水泥已在工程中普遍应用，近年来轻集料混凝土和加气混凝土已用于高层建筑。例如美国休斯敦的贝壳广场大楼，用普通混凝土只能建35层，改用了陶粒混凝土，自重大大减轻，用同样的造价建造了52层。而大跨、高层、结构复杂的工程又反过来要求混凝土进一步轻质、高强化。
高强钢材与高性能混凝土的结合使预应力结构得到较大的发展，桥梁工程、房屋工程中广泛采用预应力结构。
（2）理论分析精细化、科学化
从材料特性、结构分析、结构抗力计算到极限状态理论，在土木工程各个分支中都得到充分发展。例如，结构分析逐步进入从线性到非线性、从平面到空间、从构件到结构系统、从静态到动态、从数值计算到数值仿真试验、从方案比较到优化设计的新阶段。20世纪50年代，美国、苏联开始将可靠性理论引入土木工程领域，使土木工程的可靠性理论建立在作用效应和结构抗力的概率分析基础上。工程地质、土力学和岩体力学的发展为研究地基、基础和开拓地下、水下工程创造了条件。计算机不仅用以辅助设计，更作为优化手段；不但运用于结构分析，而且扩展到建筑、规划等各个领域。
理论研究的日益深入，使现代土木工程发生了许多质的变化，并推动土木工程实践不断向前发展。
（3）施工过程工业化机械化和自动化
随着土木工程规模的扩大，由此产生的施工工具、设备、机械向多品种、自动化、大型化发展，施工日益走向机械化和自动化；各种勘探、检测仪器的发明和应用使土木工程的决策和建设更为客观、更为科学；施工组织管理开始应用系统工程的理论和方法，日益走向科学化；有些工程设施的建设继续趋向结构和构件标准化和生产工业化，工厂中成批生产房屋、桥梁的各种构配件、组合体等，预制装配化的潮流在20世纪50年代后席卷了以建筑工程为代表的许多土木工程领域。这样，不仅可以降低造价、缩短工期、提高劳动生产率，而且可以解决特殊条件下的施工作业问题，以建造过去难以施工的工程。
种种现场机械化施工方法在20世纪70年代以后发展得特别快。采用了同步液压千斤顶的滑升模板广泛用于高耸结构。1975年建成的加拿大多伦多电视塔高达553 m，施工时就用了滑模，在安装天线时还使用了直升飞机。钢制大型模板、大型吊装设备与混凝土自动化搅拌楼、混凝土搅拌输送车、输送泵等相结合，形成了一套现场机械化施工工艺，使传统的现场浇筑混凝土方法获得了新生命，在高层、多层房屋和桥梁中部分地取代了装配化，成为一种发展很快的方法。
（4）工程设施更加功能化和大型化
现代土木工程的功能化问题日益突出，为了满足极专门和更多样的功能需要，土木工程更多地需要与各种现代科学技术相互渗透。
工程规模更加宏大，如大型水坝混凝土用量达数千万立方米，大型高炉的基础也达数千立方米；现代公用建筑和住宅建筑不再仅仅是传统意义上徒具四壁的房屋，而要求同采暖、通风、给水、排水、供电、供燃气等各种现代技术设备结成一体。
对土木工程有特殊功能要求的各类特种工程结构或设施发展迅速，如核电站、风力发电、海洋工程等。
（5）城市房屋建筑和道路交通向高空和地下
高层建筑成了现代化城市的象征，高层建筑的设计和施工是对现代土木工程成就的一个总检阅。表1.1所示，为目前为止世界最高的前六位建筑。
城市道路和铁路很多已采用高架，同时又向地层深处发展。地下铁道在近几十年得到进一步发展，地下商业街、地下停车库、地下油库日益增多。城市道路下面密布着电缆、给水、排水、供热、供燃气的管道，构成城市的脉络。现代城市建设已经成为一个立体的、有机的系统。
表1.1 世界最高的前六位建筑
（6）交通运输更加高速便利
高速公路在世界各地较大规模的修建，是第二次世界大战后的事。高速公路的里程数，已成为衡量一个国家现代化程度的标志之一。铁路也出现了电气化和高速化的趋势。从工程角度来看，高速公路、铁路在坡度、曲线半径、路基质量和精度方面都有严格的限制。交通高速化直接促进着桥梁、隧道技术的发展。桥梁的跨越能力达到了千米级，1998年建成的日本的明石海峡大桥主跨达1 991 m。不仅穿山越江的隧道日益增多，而且出现了长距离的海底隧道，日本从青森至函馆越过津轻海峡的青函隧道长达53.85 km，其中海底部分长23.3 km；连接英、法两国的英吉利海峡隧道长达50.45 km，其中海底部分长37.9 km。
1.3 土木工程的未来
当今，全球进入到经济的全球化和信息化的年代。随着我国经济持续稳定增长和城市化进程加快，土木工程作为国民经济的支柱产业，在这重要的发展机遇中肩负重任。土木工程工作者必须把握住土木工程信息化建设的大方向，实现更高层次的技术创新和素质提升。
土木工程的信息化是用计算机、通信、自动控制等信息汇集处理高新技术对传统土木工程技术手段及施工方式进行改造与提升，促进土木工程技术及施工手段不断完善，使其更加科学、合理，有效地提高效率，降低成本；实现土木工程的信息化将引起土木工程企业管理方式的深刻革命，必然推动企业团队的重组及施工流程的优化，促使企业管理理念和手段的革新；土木工程的信息化是土木工程市场发展的高级阶段，必定融入现代物流业、电子商务业和信息产业，从而实现土木工程的高效益、高效率。
（1）超大型工程的修建
在本世纪，由于新材料、新结构、新工艺、新施工方法的出现，人类将有可能从事规模巨大的土木工程建设，为改造世界作出新的贡献和取得新的突破。例如，直布罗陀海峡跨度为5 000 m的桥梁、对马海峡的海底隧道工程、更加便捷的交通系统等将有可能实现。
（2）高性能材料的发展
钢材将朝着高强、具有良好的塑性、韧性和可焊性方向发展。高性能混凝土及其他复合材料也将向着轻质、高强、良好的韧性和工作性能方面发展。一些具有新概念的更加适合建筑的工程材料将会问世。
（3）结构型式
计算理论和计算手段的进步以及新材料、新工艺的出现，为结构型式的革新提供了有利条件。空间结构将得到更广泛的应用；不同受力形式的结构融为一体，结构型式将更趋于合理和安全。
（4）信息智能技术应用
随着计算机不断进步和应用普及，结构计算理论将日臻完善，计算结果将更能反映实际情况，从而更能充分发挥材料的性能并保证结果的安全；人们将会设计出更为优化的方案进行土木工程建设，以缩短工期、提高经济效益。
（5）发展与环境
中国正处于城市化进程中，环境问题特别是气候变异的影响将越来越受到重视，土木工程与环境工程融为一体。城市综合症、海水上升、水污染、沙漠化等问题与人类的生存发展密切相关，又无一不与土木工程有关。建筑物和设施的建设应该考虑节能、环保及与自然的和谐。
（6）建筑工业化
建筑业的工业化是我国建筑业发展的必然趋势，要逐步代替施工现场的手工操作，采用机械化施工和自动控制；要逐步减少现场作业，将建筑构配件改为工厂预制；要正确理解建筑产品标准化和多样化的关系，尽量实现标准化生产；要建立适应社会化大生产方式的科学管理体制，采用专业化、联合化、区域化的施工组织形式。同时还要不断推进新材料新工艺的使用。
（7）海底建筑、地下建筑与空间站
随着地上空间的减少，特别是城市规模的扩大和人口的增加，人类把注意力越来越多地转移到地下空间甚至海底；土木工程的活动场所在不久的将来可能超出地球的范围。
（8）新能源和能源多极化
能源问题是当前世界各国极为关注的问题，寻找新的替代能源和能源多极化的要求是21世纪人类必须解决的重大课题，这对土木界就提出了新的要求，应当予以足够的重视。
（9）结构健康诊断、评估与加固
采用更为先进的诊断手段（包括各种传感器、检测设备和自动监测系统）和科学的评估体系（包括专家系统）对建筑物进行诊断和评估，以确保建筑物的安全使用和结构加固方法的经济有效。
（10）建筑物的耐久性与建筑更新
改革开放以来，我国进行了大规模的基本建设，但所有建筑物都是有寿命的。我们必须对建筑物的耐久性予以足够的重视。一方面，在工程的规划设计阶段，对其可使用年限就要有一个科学的估计，以便用最少的维修费用延长其使用寿命；另一方面，对废弃建筑物的拆除和更新也是我们将面临的重大课题。
我国是一个发展中大国，经济还不发达而且极不平衡，基础设施还远远不能满足人们生活和国民经济可持续发展的需要，所以在基本建设方面还有许多工作要做，中国的土木工程师正面临着历史上从未有过的机遇和挑战。
思考讨论题
1.什么是土木工程？
2.简述土木建筑业的特点。
3.土木工程建设包括哪些基本程序？
4.谈谈你对土木工程未来的看法。
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