第三节 土木工程发展简史

土木工程主要围绕材料、施工技术、力学与结构理论的演变而不断发展，其发展史大致可以划分为古代、近代和现代三个历史时期。

1．古代土木工程

古代土木工程时间跨度大致从旧石器时代到17世纪中叶，所使用的材料最早为当地的泥土、石块、树枝、竹、茅草和芦苇等，后来开发出土坯、石材、木材、砖、瓦、青铜和铁等材料。古代土木工程所用的工具，最早只是石斧、石刀等简单工具，后来开发出斧、凿、锤、钻、铲等青铜和铁质工具，并研制了打桩机、桅杆起重机等简单施工机械。古代土木工程建设主要依靠实践生产经验，缺乏设计理论指导。

人类文明初始时期，掘地为穴，搭木为桥。在中国黄河流域的仰韶文化遗址中，遗存着浅穴和地面建筑，建筑平面有圆形、方形和多室联排的矩形。洛阳王湾有一座面积200m2的房屋，墙下挖有基槽，槽内有卵石，是墙基的雏形。在西安半坡遗址中，有很多圆形房屋，直径5～6m，室内竖有木柱来支撑上部屋顶，四周密排一圈小木桩，用以承托屋檐结构，如图1.1所示。

英格兰的索尔兹伯里石环，距今已有4300年的历史，采用巨型青石近百块，每块重达10t，石环直径约32m，单块巨石高达6m，石环间平放厚重石梁，此梁柱结构至今仍为建筑基本结构体系之一。公元前3世纪左右出现了烧制的砖瓦，开始出现木构架和石梁柱等结构，并建造了许多大型的土木工程。

随着社会文明的进步，古代的埃及、印度和罗马等先后建造了许多大型建筑、桥梁和输水道等建筑物。如埃及金字塔，造型简单，计算准确，施工精细，规模宏大，是人类伟大的文化遗产，如图1.2所示。

在我国公元前3世纪中期，李冰父子在现今四川都江堰市主持修建了都江堰，解决了围堰、防洪、灌溉以及水陆交通问题，是世界上最早的综合性大型水利工程，如图1.3所示。我国利用黄土高原的黄土创造了夯土技术，河南省偃师市二里头早商的宫殿群采用夯筑式浅基础，安阳殷墟遗存有夯土台基，都说明当时的夯土技术已经成熟。万里长城从公元前7世纪开始修建，秦统一六国后，为防御北方匈奴的侵犯，在魏、赵、燕三国土长城的基础上进行了修缮和扩建。明朝又对长城进行了大规模的整修，东起鸭绿江，西至嘉峪关，全长达7000km以上。万里长城主要为砖石结构，有些地段采用夯土结构，在沙漠中则采用红柳、芦苇与沙粒层层铺筑的结构。

作为欧洲文化的摇篮，古希腊在公元前5世纪建成了以巴台农神庙为主体的雅典卫城，采用白色大理石砌筑，造型典雅庄丽，庙宇宏大，石质梁柱造型精美，是典型的列柱围廊式结构，在建筑和雕刻上都具有很高的成就，如图1.4所示。

古罗马建筑对世界建筑产生了巨大影响。古罗马大斗兽场建筑平面为椭圆形，长轴188m，短轴156m，立面为4层，总高为48.5m，场内有60排座位，可容纳4.8～8万名观众，在功能、形式和结构上做到了和谐统一，如图1.5所示。

我国古代建筑主要以木结构为主，现存高层木结构建筑，当以山西应县佛宫寺释迦塔（应县木塔，1056年建）为代表，塔身外观5层，内有4个暗层，共9层，高67.31m，平面为八角形，是世界上现存最高的木结构之一。

我国古代不但在建筑上取得了辉煌成就，其他方面也取得了巨大成绩。秦朝统一中国后，修建了以咸阳为中心的通向全国的驰道，形成了辐射全国的交通网。道路的发展推动了桥梁结构的发展，桥梁结构最早为行人的石板桥和木梁桥，后来发展为石拱桥。秦朝咸阳修建的渭河桥，为68跨木构梁式桥。公元前60年就有了铁链悬索桥，四川泸定县大渡河的铁索桥建于1706年，桥跨100m，桥宽约2.8m。现存最完好的石拱桥为河北赵县的安济桥，又名赵州桥。该桥建于公元595—605年，全部采用石灰石建成，全长50.83m，净跨37.02m，矢高7.23m，矢跨比小于1/5，桥面宽9m。在材料使用、结构受力、艺术造型和经济上该桥都达到了极高的成就，如图1.6所示。

在水利工程方面也有新的成就。公元前3世纪秦朝在广西开凿灵渠，总长34km，落差32m，沟通湘江、漓江，联系长江和珠江水系。京杭大运河是世界上建造最早、长度最长的人工河道，开凿于春秋战国时期，隋朝时期全部完工，迄今已有2400多年历史。京杭大运河由北京到杭州，流经河北、山东、江苏和浙江四省，沟通海河、黄河、长江、淮河和钱塘江五大水系，全长1794km，至今京杭大运河的江苏段和浙江段仍是重要的水运通道，如图1.7所示。

欧洲以石拱建筑为主的古典建筑也达到了很高的水平。公元前4世纪，罗马采用拱券技术砌筑下水道、隧道渡槽等。罗马的万神庙（120—124年），采用圆形正殿屋顶，直径43m多，是古代最大的圆顶庙。意大利的比萨大教堂和法国巴黎圣母院大教堂，均为拱券结构。圣保罗主教堂中央穹顶直径34m，顶端距地面110m多，是英国最大的教堂，为英国古典主义建筑的代表。

人们在建造大量土木工程的同时，注意总结经验，撰写了诸多优秀的土木工程著作，涌现了出众的工匠和技术人才，如我国的《木经》、李诫的《营造法式》和意大利阿尔贝蒂的《论建筑》等。

2．近代土木工程

从17世纪中期到第二次世界大战前后，土木工程有了革命性进展，逐渐形成了一门独立学科。铸铁、钢材和钢筋混凝土等材料日益广泛使用。材料力学、理论力学、结构力学、土力学和工程结构设计理论等学科逐步形成，确保了工程结构的安全性和经济性。新的施工工艺和施工机械不断涌现，建造规模扩大，建设速度加快，可以建设房屋、桥梁、道路、铁路、隧道、港口、市政等设施。

伽利略的梁设计理论阐述了建筑材料的力学性质和梁的强度，是弹性力学的开端，欧拉的压屈理论给出了柱临界压屈荷载的计算公式，与牛顿力学三大定律为土木工程奠定了力学分析的基础。复形理论、振动理论和弹性稳定理论等在18世纪相继产生，使土木工程作为一门学科逐步建立起来。

18世纪末期，瓦特发明了蒸汽机，为土木工程提供了多种施工机具。1824年英国人J．阿斯普丁发明了波兰特水泥，1856年转炉炼钢法取得成功，为钢筋混凝土的产生奠定了基础。1875年法国人J．莫尼埃主持修建了第一座钢筋混凝土桥。1886年，美国芝加哥建成了9层家庭保险公司大厦，首次按照独立框架设计，并采用钢梁，被认为是现代高层建筑的开端。法国巴黎建成了高300m的埃菲尔铁塔，使用熟铁近8000t。土木工程的施工方法在这个时期实现了机械化和电气化，打桩机、压路机、挖土机、掘进机、起重机和吊装机等施工机械纷纷出现，可以高效快速地建设各种设施。1825年，英国首次使用盾构法开凿了泰晤士河隧道，如图1.8所示。1906年，瑞士修筑了通向意大利的辛普朗隧道，长19.8km，使用了大量黄色炸药和凿岩机等先进设备。1869年美国建成了横贯北美大陆的铁路，20世纪初俄国建成了西伯利亚铁路。1863年英国伦敦建成了世界上第一条地铁。

桥梁工程方面，1779年英国用铸铁建成了30.5m的拱桥，1826年英国建成了梅奈铁链悬索桥，跨度达177m。1890年英国福斯湾建成了两孔悬臂式桁架梁桥，主跨达521m。1918年，加拿大建成了魁北克悬臂桥，跨度为548.6m。1932年，澳大利亚建成了悉尼港桥，为双铰钢拱结构，跨度503m，用钢量38万吨。1937年，美国旧金山建成了金门悬索桥，跨度1280m，全长2825m，塔高227m，每根钢索重64120kN，由27000根钢丝绞成。

由于工业发展和城市人口增多，大跨度高层建筑相继出现。1931年，美国纽约帝国大厦竣工，共102层，高381m，有效面积16万m2，用钢量约5万余吨，内设67部电梯，配备有复杂管网系统，集当时技术成就之大成。帝国大厦从动工到交付只用了19个月，平均每5天搭建一层楼，如图1.9所示。

在引进西方的先进技术后，我国也先后建造了一些大型土木工程。1889年唐山设立水泥厂。1909年，由詹天佑主持的京张铁路建成，全长200km，达到当时世界先进水平。1934年上海国际饭店建成，高达24层。1937年已有近代公路11万km。我国的土木工程教育事业开始于1895年的北洋公学（今天津大学）和1896年的北洋铁路官学堂（今西南交通大学）。1912年中国土木工程学会成立。

3．现代土木工程

在现代科学技术推动下，现代土木工程迅猛发展。以第二次世界大战结束为起点，由于经济复苏，科学技术得到飞速发展，土木工程也进入了新时代。从世界范围看，现代土木工程为了适应社会经济发展的需求，显示出以下特征。

（1）功能多样化

现代公用建筑和住宅建筑要求结构具有良好的采光、通风、保温、隔音、减噪、防火、抗震及生态等功能。工业建筑物往往要求恒温、恒湿、防微尘、防腐蚀、防辐射、防火、防爆、防磁、除尘、耐高温及耐高湿等特点，并向大跨度、超重型、灵活空间方向发展。发展高科技和新技术也对土木工程提出高标准要求，如核反应堆、核电站等核工业建筑需要极高的安全度，海洋采炼、储油事业需要多功能的海洋工程建筑物（见图1.10）。现代土木工程的使用功能多样化程度不但反映了现代社会的科学技术水平，也折射出土木工程学科的发展水平。

（2）城市立体化

随着经济发展和人口增长，城市用地更加紧张，交通更加拥挤，迫使房屋建筑和道路交通向高空和地下发展。高层建筑成了现代化城市的象征，如美国芝加哥的西尔斯大厦，高422m，超过了纽约帝国大厦的高度。由于设计理论的进步和材料的改进，现代高层建筑出现了新的结构体系，如剪力墙和筒中筒结构。台北101大厦位于中国台湾台北市信义区，2004年建成，高508m，地上101层，地下5层，为了减少强风对建筑物的影响，台北101大厦在87～92楼安装了一个730t重的钢球风阻尼器。防震措施方面，台北101大厦采用新式的巨型结构，在大楼的四个外侧分别各有两支巨柱，共八支巨柱，每支截面长3m、宽2.4m，自地下5楼贯通至地上90楼，柱内灌入高密度混凝土，外以钢板包覆。阿联酋迪拜摩天大楼高828m，是世界第一高楼，如图1.11所示。上海金茂大厦位于陆家嘴金融贸易区，1998年建成，高421m，地上88层，地下3层。同时，城市高架公路和立交桥不断涌现，城市地下空间开发也如火如荼。地下铁道与建筑物连接，形成地下商业街。城市道路下面密布着电缆、给水、排水、供热、供燃气的管道，构成城市脉络。现代城市已经发展成了一个立体有机的系统，对土木工程各个分支及协作提出了更高的要求。

（3）交通高速化

第二次世界大战后，各国大规模修建高速公路。目前全世界已有80多个国家和地区拥有高速公路，通车总里程超过了25万km。我国第一条高速公路——沪嘉高速公路——于1988年建成，全长20.5km。目前我国高速公路通车里程已达400万km，位居全球第二。铁路也出现了电气化和高速化的趋势。日本的新干线：铁路行车时速210km/h以上，法国巴黎至里昂的高速铁路运行时速为260km/h。我国的京沪高速铁路，正线全长大约1318km，设计时速为350km/h，全线铺设无缝线路和无碴轨道，采取多种减振、降噪、低能耗、少电磁干扰的环保措施，全线实行防灾安全实时监控。2009年12月，武广高速铁路正式投入运营，如图1.12所示，最高时速394km/h，创造了当时世界高速铁路的最高运营速度。我国青藏铁路2006年7月正式通车，全长1956km，是世界上海拔最高、线路最长、穿越冻土里程最长的高原铁路。连接英国和法国的英吉利海峡海底隧道于1994年5月正式运营，该隧道全长50.5km，是当时世界上最长的隧道。2010年4月，我国最长海底隧道——胶州湾海底隧道全线贯通，隧道全长7.8km，设计时速80km/h。航空业也得到迅速发展，航空港遍布世界各地。世界上国际贸易港口超过了2200个，并出现了大型集装箱码头。

（4）材料轻质高强化

普通混凝土向轻骨料混凝土、加气混凝土和高性能混凝土方向发展，钢材的发展趋势是采用低合金钢。高强钢丝、钢绞线和粗钢筋大量生产，使得预应力混凝土结构在桥梁、房屋等工程中得以推广。强度等级为500～600号的水泥在工程中普遍应用。如美国休斯顿的贝壳广场大楼，如采用普通混凝土则只能建35层，改用陶粒混凝土后，自重大为减轻，用同样的造价可以建造52层。高强钢材和高强混凝土结合使预应力结构得到较大发展，如我国重庆长江大桥的预应力T构桥，跨度达174m。铝合金、镀膜玻璃、建筑塑料、石膏板和玻璃钢等工程材料发展迅速。

（5）施工过程工业化

大规模现代化建设使中国、俄罗斯和东欧的建筑标准达到了很高的程度。人们积极推行工业化生产方式，在工厂中成批地生产房屋、桥梁的各种配件和组合体等，如图1.13所示。多种现场械化施工方法也发展迅猛，高耸结构施工广泛采用同步液压千斤顶滑升模板。此外，钢制大型模板、大型吊装设备与混凝土自动化搅拌楼、混凝土自动化搅拌输送车和泵送混凝土技术等相结合，形成了一套现场机械化施工方法。

现代化技术使许多复杂工程成为现实，我国宝成铁路有80%的线路穿越山岭地带，桥隧相连；成昆铁路桥隧总长占全长的40%；我国的川藏公路、青藏公路和青藏铁路直通世界屋脊。现代化的盾构施工使得隧道施工进度加快，精度提高。在土石方工程中广泛采用定向爆破，解决了大量土石方施工的难题。

（6）理论研究精密化

计算力学、动态规划法、结构动力学、网络理论、随机过程论和滤波理论等理论及方法不断涌现，并随着计算机的普及进入土木工程各个领域。静态的、确定的、线性的、单个的分析逐渐被动态的、随机的、非线性的、系统与空间的分析所代替。电子计算机使高次超静定分析成为可能，也可以进行大跨度桥梁分析与设计。如我国的中央电视台总部大楼和鸟巢体育馆，采用了大型计算机进行计算和分析。材料特性、结构分析、结构抗力计算和极限状态理论在土木工程各个分支中充分发展，基于作用效应和结构抗力概率分析的可靠性理论进入土木工程，工程地质、岩土力学也蓬勃发展，为开发地下和水下工程建立了理论指导。