第1章 土木工程概述
教学目标
主要讲述土木工程与人类生活的密切关系，土木工程的发展历史及其基本要求。通过本章学习，应达到以下目标：
(1)了解土木工程对人类生活、生产的巨大影响； (2)熟悉土木工程的发展历史，增强学习的兴趣； (3)理解成功的工程应具备的条件。 教学要求 知识要点
能力要求 (1)理解土木工程的概念； 相关知识 (1)土木工程历史发展； (2)土木工程与人类文明的关系； 土木工程 (2)了解土木工程在国民经济中的作用； (3)熟悉土木工程对人类文明、历史的影响 (3)工程建造的艰巨性、复杂性 (1)西方古代、近代历史、经济、文化建筑技术与文化 (1)了解西方古代、近代建筑技术与文化； 发展过程，建筑功能与作用 (2)了解我国古代、近代建筑技术与文化； (2)我国古代、近代历史、经济、文化发展过程，建筑对历史的影响 成功的工程 (1)工程的目的和使命； (2)成功工程的要求； (1)工程的功能、责任要求； (2)工程的效益、可持续发展能力；
土木工程、人类文明、历史作用；建筑技术、文化、发展；成功工程、工程使命、工程效益、可持续发展。
引例 传奇之桥——泸定桥
泸定桥之建造、命名与使用均富传奇色彩。康熙四十年，四川巡抚能泰、提督岳升龙上奏朝廷，拟在安乐坝一处河床较窄、两岸有坚固岩石的地方，仿铁索桥规制建桥以沟通四川腹地与西康之联系。康熙皇帝“诏从所请，于是鸠工构造”，于康熙四十四年(1705年)兴工，耗四川一年税赋之半，于次年建成。桥身东西净跨103米，由12164个铁扣环锻就的13根铁链组成。为保证工程质量，每环铁扣均铸刻有打制该环的铁匠姓名。架桥时需将铁索运至对岸；当地水流湍急，无法船运；据说是先以风筝(一说射箭)放细线过河，后细
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线牵细绳、细绳牵中绳、中绳牵粗绳，最后粗绳牵绑扎竹筒的铁索过河。工程竣工后，能泰等绘图呈上，请康熙帝赐名。康熙查阅图志和《水经注》后，误以为大渡河即《水经注》所指之泸水，故赐桥名为“泸定桥”，取泸水平定之意，且御笔题写桥名，后人将错就错，宣统三年(1911年)，泸定桥所在的县名干脆也改称泸定县。
从未有任何一项古代土木工程像泸定桥那样影响了中国现代史。1935年红军被几十万国民党军队围追堵截，困于大渡河以西。毛泽东命红四团由安顺场出发夺取泸定桥，该团以一天一夜奔袭二百四十里的惊人速度赶在援敌前抵达泸定桥西端。对岸守桥国民党川军兵力也为一个团，已接获蒋介石炸桥命令；深知当年造桥之难的川军未严格执行而仅将桥板拆去。红四团组成22人的突击队攀索夺桥，一时间中国未来历史走向全系这22人及13根铁索。守军弹如飞蝗，且火焚桥头亭，但这22人居然攀爬过了百米铁索并穿过烈火击退了一团之众，如此传奇惟有神助才能解释，14年后诞生的新中国即建立在这传奇的基础上。
1.1 土木工程
1.1.1 土木工程的内涵
土木工程是工程分科之一，指用工程材料，如：土、木、砖、石、混凝土、钢材和其他金属、建筑塑料、沥青等修建房屋、道路、铁路、桥梁、隧道、运河、堤坝、港口、特种结构和市政卫生工程等的生产活动和工程技术。
这里指的生产活动和工程技术还包括对上述各类工程的勘测、设计、施工、管理、装饰、维修保护等活动以及相应的工程技术。
1.1.2 土木工程在国民经济中的地位和作用
1.土木工程投入巨大
对于一些大型的基本建设工程，投入都非常巨大。例如京九铁路线，全长2000余km，预算投入400亿元。而三峡工程，混凝土用量2643万m3，总库容393亿m3；年发电量847亿kW·h；决算总投资超过2000亿元。西气东送工程和青藏铁路线建设，都是总投资超过千亿元的关系国计民生的特大工程。
2.作为国民经济的基础产业影响面广
土木工程涉及冶金、建材、机械制造等方面，其影响并带动了许多重要行业的发展。我国是建材生产大国，水泥产量占全世界产量的50%；混凝土用量为每年5亿～6亿m3，居世界第一；我国2010年水泥产量18.7亿吨，钢产量7.96亿吨，居世界第一，其中有三分之一用于土木工程。
土木工程属劳动密集型产业，其就业率高，是充分发挥我国人口资源优势的主要产业。建筑业劳务输出也是我国对外输出的重要方面。根据2010年资料，我国建筑业从业人员4000万人，占世界建筑业从业人员的25%，目前我国建筑企业在100多个国家和地区设有办事机构，派往国际市场建筑人员达30余万，承包总额上千亿美元。
由于其影响面如此之广，因此土建投资可以大幅度地拉动国民经济。政府扩大内需采
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取积极的财政政策，一个主要的资金投向是土建方面的基础设施，如2008年的奥运工程群，2010年上海世博会工程群，京沪高速铁路，七纵三横的高速公路，房地产业的增长，城市化带来的大量基建项目等，都会带动当地乃至周边地区的经济发展。据2010年统计，土建对我国国民经济增长的贡献率达到三分之一以上。
3.对抗灾减灾具有不可替代性
对于自然和非自然灾害，目前人类的减灾措施基本上依赖土木工程。例如：以修建引水渠、泄洪渠、堤、坝、水库来抵抗旱灾和洪涝灾害；以锚索加固山体、砌筑挡土墙防止山体滑坡和泥石流；以防波堤、海岸护坡工程抵抗海啸、飓风；以建造更结实或者更柔性的房屋来减少地震对人类的伤害；以引水改沙、编织固沙来抑制沙漠化的蔓延；以建造地下防护工程和地下战略储藏库来减少战争对人员的杀伤和影响；给核反应堆覆盖以特种混凝土防护壳来防止核泄漏等。
此外，对于灾害造成的损失，也有赖土木工程予以弥补。例如：需要借助快硬混凝土及其他相关技术抢修损毁道路桥梁以保障救灾。此外，还有开掘泄洪通道、疏导堰塞湖等。 案例1.1 汶川地震后，唐家山堰塞湖排险创造了世界奇迹
2008年5月12日，四川汶川发生8.0级特大地震。唐家山堰塞湖是汶川大地震后形成的最大堰塞湖，地震后山体滑坡，阻塞河道形成的唐家山堰塞湖位于涧河上游距北川县城约6公里处，是地震灾区面积最大、危险最大的一个堰塞湖。库容为1.45亿立方米。坝体顺河长约803米，横河最大宽约611米，顶部面积约30万平方米，由石头和山坡风化土组成，湖上游集雨面积3550平方公里(图1.1)。
在面对威胁最为严重、排险最为艰难、国内外最为关注的唐家山堰塞湖排险工作中，对唐家山堰塞湖实行主动处理、及早处理、科学处理。唐家山堰塞湖的特大威胁最终得到解除(图1.2)。下游人民群众无一伤亡，重要基础设施无一损失。2008年6月10日，国务院抗震救灾总指挥部在贺电中称其“创造了世界上处理大型堰塞湖的奇迹”。
图1.1 唐家山堰塞湖 图1.2 唐家山堰塞湖泄流
案例1.2 日本地震海啸道路抢修
2011年3月11日，据日本广播协会报道，日本东北地区太平洋沿岸3月11日下午发生自日本有观测记录以来的最大地震，震级达里氏8.9级。受地震影响，福岛县相马港观测到浪高超过7.3米的大海啸，北海道、东北太平洋沿岸各地都观测到3米以上的大海啸，
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海啸波及北海道至冲绳县的广大范围。
图1.3所示这条位于重灾区茨城县那珂市的道路在大地震后整个塌陷，车辆根本无法通行。可是才短短6天(17日)，东日本高速道路公司就将这条道路修复好，让救灾物资可以顺利运送至灾区。
图1.3 地震道路抢修
1.1.3 土木工程是人类文明和历史的载体
人类为何从事土木工程？土木工程与人类文明发展之间是什么样的关系？让我们对土木工程的缘起做一个简要的回顾。人类活动围绕着衣食住行和精神需求几方面来进行，这些方面都与土木工程有密切、直接的关系。
1.住
土木工程首先要解决安居问题。
人类的祖先最初占据天然洞穴为居所，以满足安全、御寒防暑的需要。这时，人类没有土木工程的概念。
随着人类由渔猎生活向农耕、游牧生活过度，土木工程出现了，首先是满足人们居住的需要。新石器时期的土木工程，比较有代表性的有我国北方区域仰韶文化的早期村落(图1.4、图1.5)。
图1.1 仰韶文化的早期村落 图1.2 仰韶文化考古发掘
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仰韶文化是以农业为主的文化，其村落或大或小，比较大的村落的房屋有一定的布局，周围有一条围沟，以防野兽和其他部落侵扰，村落外有墓地和窑场。村落内的房屋主要为圆形或方形两种，早期的房屋以圆形单间为多，后期以方形多间为多。房屋的墙壁是泥做的，有用草混在里面的，也有用木头做骨架的。墙的外部多被裹草后点燃烧过，来加强其坚固度和耐水性。选址一般在河流两岸经长期侵蚀而形成的阶地上，或在两河汇流处较高而平坦的地方，这里土地肥美，有利于农业、畜牧，取水和交通也很方便。由此看来，构成现代土木工程的诸多要素——城市规划、建筑、结构、建材等，在当时已经初具雏形。
伴随人类征服(适应)自然能力的提高，人类因地制宜，创造了许多新的房屋建筑形式。 在民居方面，决定房屋形式的影响因素有：材料来源、气候与地质条件以及文化发展水平与发展方向等。
例如在中国北方干旱的黄土高原，劳动人民创造了窑洞这一民居形式。窑洞一般造型简洁，上部拱圆，下方端直，契合中国传统文化中“天圆地方”的思想（图1.6)。
图1.6 窑洞 图1.7 四合院
在寒冷和森林茂密的地区，人们首选木材作为居所房屋的材料，一方面就地取材，另一方面房屋保暖性能优良，材料可加工性也好。在农业发达地区，木材来源不如森林地区丰富，如果雨量充沛，木屋耐久性也显不足，因此这些区域近代居民多以石砌或砖砌墙体房屋为主。当然在某些地区人们不再采用木屋还有其他原因。例如伦敦木建筑的消失是源于鼠疫的灾难。
14世纪的伦敦有许多木建筑，街巷污水横流，空气弥漫着朽木的恶臭。由于教会认为猫于黑暗中眼放幽光，叫声凄厉恐怖，是魔鬼的化身，禁止居民豢养；老鼠没了天敌，繁衍迅速，成群出没于大街小巷。1348年鼠疫(也称黑死病)第一次袭击英国，此后断断续续延续了300多年，英国近三分之一的人口死于鼠疫，严重时伦敦每周死亡8000人，王室和贵族纷纷逃离城市。1666年9月10日，伦敦布丁巷内一家面包店发生火灾。火势迅速蔓延到整个城市，连烧了三天三夜，造成五分之四的市区被毁，包括87间教堂、44家公司以及13000多幢民房。奇特的是，之后人类百战不胜的鼠疫竟然彻底从英国消失了。因此，在伦敦不再有木建筑出现。
比较中外民居我们发现，中国的传统民居更加愿意采用院落式的平面布局(图1.7)，这充分反映了传统文化对土木工程的影响。中国文化更注重家族和宗族观念，家庭以合为美，提倡数代同堂，这些思想当然对民居形式产生深刻影响。而主要分布于中国南方赣、闽、
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