知当时已有两层楼,四阿顶的建筑了。西周的青铜器上也铸有柱上置栌斗的木构架形象,说明当时在梁柱结合处已使用“斗”,做过渡层,柱间联系构件“额枋”也已形成。这时的木构架已开始有中国传统使用的柱、额、梁、枋、斗栱等。 中国在西周时代已出现陶制房屋版瓦、筒瓦、人字形断面的脊瓦和瓦钉,解决了屋面防水问题。春秋时期出现陶制下水管、陶制井圈和青铜制杆件结合构件。在美索不达米亚(两河流域),制土坯和砌券拱的技术历史悠久。公元前8世纪建成的亚述国王萨尔贡二世宫,是用土坯砌墙、用石板、砖、琉璃贴面。 埃及人在公元前 3千年进行了大规模的水利工程以及神庙和金字塔的修建中,积累和运用了几何学、测量学方面的知识,使用了起重运输工具,组织了大规模协作劳动。公元前27~前26世纪,埃及建造了世界最大的帝王陵墓建筑群──吉萨金字塔群(参见彩图)。这些金字塔,在建筑上计算准确,施工精细,规模宏大。建造了大量的宫殿和神庙建筑群,如公元前16~前 4世纪在底比斯等地建造的凯尔奈克神庙建筑群。
土木工程发展简史
希腊早期的神庙建筑用木屋架和土坯建造,屋顶荷重不用木柱支承,而是用墙壁和石柱承重。约在公元前7世纪,大部分神庙已改用石料建造。公元前5世纪建成的雅典卫城,在建筑、庙宇、柱式等方面都具有极高的水平。其中,如巴台农神庙全用白色大理石砌筑,庙宇宏大,石质梁柱结构精美,是典型的列柱围廊式建筑。
在城市建设方面,早在公元前 2千年前后,印度建摩亨朱达罗城, 城市布局有条理, 方格道路网主次分明,阴沟排水系统完备。中国现存的春秋战国遗址证实了《考工记》中有关周朝都城“方九里、旁三门,国(都城)中九经九纬(纵横干道各九条),经涂九轨(南北方向的干道可九车并行),左祖右社(东设皇家祭祖先的太庙,西设祭国土的坛台),面朝后市(城中前为朝廷,后为市肆)”的记载。这时中国的城市已有相当的规模,如齐国的临淄城,宽3公里,长4公里,城濠上建有8米多跨度的简支木桥,桥两端为石块和夯土制作的桥台。 发达时期 由于铁制工具的普遍使用,提高了工效;工程材料中逐渐增添复合材料;工程内容则根据社会的发展,道路、桥梁、水利、排水等工程日益增加,大规模营建了宫殿、寺庙,因而专业分工日益细致,技术日益精湛,从设计到
施工已有一套成熟的经验:①运用标准化的配件方法加速了设计进度,多数构件都可以按“材”或“斗口”、“柱径”的模数进行加工;②用预制构件,现场安装,以缩短工期;③统一筹划,提高效益,如中国北宋的汴京宫殿,施工时先挖河引水,为施工运料和供水提供方便,竣工时用渣土填河;④改进当时的吊装方法,用木材制成“戥”和绞磨等起重工具,可以吊起三百多吨重的巨材,如北京故宫三台的雕龙御路石以及罗马圣彼得大教堂前的方尖碑等。
建筑工程 中国古代房屋建筑主要是采用木结构体系,欧洲古代房屋建筑则以石拱结构为主。
① 木结构。 中国古建筑在这一时期又出现了与木结构相适应的建筑风格,形成独特的中国木结构体系(见中国古代木结构)。根据气候和木材产地的不同情况,在汉代即分为抬梁、穿斗、井干三种不同的结构方式,其中以抬梁式为最普遍。在平面上形成柱网,柱网之间可按需要砌墙和安门窗。房屋的墙壁不承担屋顶和楼面的荷重,使墙壁有极大的灵活性。在宫殿、庙宇等高级建筑的柱上和檐枋间安装斗栱。
佛教建筑是中国东汉以来建筑活动中的一个重要方面,南北朝和唐朝大量兴建佛寺。公元8世纪建的山西五台山南禅寺正殿和公元9世纪建的佛光寺大殿,是遗留至今较完整的中国木构架建筑。中国佛教建筑对于日本等国也有很大影响。
佛塔的建造促进了高层木结构的发展,公元2世纪末,徐州浮屠寺塔的“上累金盘,下为重楼”,是在吸收、融合和创造的过程中,把具有宗教意义的印度窣堵坡竖在楼阁之上(称为刹),形成楼阁式木塔。公元11世纪建成山西应县佛宫寺释迦塔(应县木塔),塔高67.3米,八角形,底层直径30.27米,每层用梁柱斗拱组合为自成体系的完整、稳定的构架,9层的结构中有8层是用3米左右的柱子支顶重叠而成,充分做到了小材大用。塔身采用内外两环柱网,各层柱子都向中心略倾(侧脚),各柱的上端均铺斗拱,用交圈的扶壁拱组成双层套筒式的结构。这座木塔不仅是世界上现存最高的木结构之一,而且在杆件和组合设计上,也隐涵着对结构力学的巧妙运用。(见彩图)
土木工程发展简史
② 砖石结构。约自公元1世纪,中国东汉时,砖石结构有所发展(见中国古代石结构、中国古代砖结构。在汉墓中已可见到从梁式空心砖逐渐发展为券拱和穹窿顶。根据荷载的情况,有单拱券、双层拱券和多层券。每层券上卧铺一层条砖,移为“伏”。这种券伏相结合的方法在后来的发券工程中普遍采用。 自公元4世纪北魏中期,砖石结构已用于地面上的砖塔、石塔建筑以及石桥等方面。公元6世纪建于河南登封县的嵩岳寺塔,是中国现存最早的密檐砖塔。(见彩图)
土木工程发展简史
早在公元前 4世纪,罗马采用券拱技术砌筑下水道、隧道、渡槽等土木工程,在建筑工程方面继承和发展了古希腊的传统柱式。公元前2世纪,用石灰和火山灰的混合物作胶凝材料(后称罗马水泥)制成的天然混凝土,广泛应用,有力地推动了古罗马的券拱结构的大发展。公元前1世纪,在券拱技术基础上又发展了十字拱和穹顶。公元2世纪时,在陵墓、城墙、水道、桥梁等工程上大量使用发券。券拱结构与天然混凝土并用,其跨越距离和覆盖空间比梁柱结构要大得多,
如万神庙(120~124年)的圆形正殿屋顶,直径为43.43米,是古代最大的圆顶庙。卡拉卡拉浴室(211~217年)采用十字拱和拱券平衡体系。古罗马的公共建筑类型多,结构设计、施工水平高,样式手法丰富,并初步建立了土木建筑科学理论,如维特鲁威著《建筑十书》(公元前 1世纪)奠定了欧洲土木建筑科学的体系,系统地总结了古希腊、罗马的建筑实践经验。古罗马的技术成就对欧洲土木建筑的发展有深远影响。
中世纪西欧各国的建筑,意大利仍继承罗马的风格,以比萨大教堂建筑群(11~13世纪)为代表;其他各国则以法国为中心,发展了哥特式教堂建筑的新结构体系。哥特式建筑采用骨架券为拱顶的承重构件,飞券扶壁抵挡拱脚的侧推力,并使用二圆心尖券和尖拱。巴黎圣母院(1163~1271年)的圣母教堂是早期哥特式教堂建筑的代表。(见彩图)
土木工程发展简史
土木工程发展简史
在城市建设方面,中国隋朝在汉长安城的东南,由宇文恺规划、兴建大兴城。唐朝复名为长安城,陆续改建,南北长9.72公里,东西宽8.65公里,按方整对称的原则,将宫城和皇城放在全城的主要位置上,按纵横相交的棋盘形街道布局,将其余部分划为108个里坊,分区明确、 街道整齐。 对城市的地形、水源、交通、防御、文化、商业和居住条件等,都作了周密的考虑。它的规划、设计为日本建设平安京(今京都)所借鉴。
在土木工程工艺技术方面也有进步。分工日益细致,工种已分化出木作(大木作、小木作)、瓦作、泥作、土作、雕作、旋作、彩画作和窑作(烧砖、瓦)等。到15世纪意大利的有些工程设计,已由过去的行会师傅和手工业匠人逐渐转向出身于工匠而知识化了的建筑师、工程师来承担。出现了多种仪器,如抄平水准设备、度量外圆和内圆及方角等几何形状的器具“规”和“矩”。计算方法方面的进步,已能绘制平面、立面、剖面和细部大样等详图,并且用模型设计的表现方法。
大量的工程实践促进人们认识的深化,编写出了许多优秀的土木工程著作,出现了众多的优秀工匠和技术人才,如中国宋喻皓著《木经》、李诫著《营造法式》,以及意大利文艺复兴时期阿尔贝蒂著《论建筑》等。欧洲于12世纪以后兴起的哥特式建筑结构,到中世纪后期已经有了初步的理论,其计算方法也有专门的记录。
近代土木工程
从17世纪中叶到20世纪中叶的300年间,是土木工程发展史中迅猛前进的阶段。这个时期土木工程的主要特征是:在材料方面,由木材、石料、砖瓦为主,到开始并日益广泛地使用铸铁、钢材、混凝土、钢筋混凝土,直至早期的预应力混凝土;在理论方面,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逐步形成,设计理论的发展保证了工程结构的安全和人力物力的节约;在施工方面,由于不断出现新的工艺和新的机械,施工技术进步,建造规模扩大,建造速度加快了。在这种情况下,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。
土木工程在这一时期的发展可分为奠基时期、进步时期和成熟时期三个阶段。
奠基时期 17世纪到18世纪下半叶是近代科学的奠基时期,也是近代土木工程的奠基时期。伽利略、I.牛顿等所阐述的力学原理是近代土木工程发展的起点。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,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。 这本书是材料力学领域中的第一本著作,也是弹性体力学史的开端。