2．3　现代土木工程

现代土木工程为20世纪中叶第二次世界大战结束后至今的土木工程。它们具有以下一些特点：

首先是社会经济建设对土木工程提出日益复杂和高标准的要求。它一般表现为以下3个方面：

（1）土木工程功能化

即土木工程日益同它的使用功能或生产工艺紧密结合。如：

——公共和住宅建筑物要求建筑、结构、给水排水、采暖、通风、供燃气、供电等现代技术设备结合成整体。

——工业建筑物往往要求恒温、恒湿、防微振、防腐蚀、防辐射、防火、防爆、防磁、除尘、耐高（低）温、耐高（低）湿，并向大跨度、超重型、灵活空间方向发展。

——发展高技术和新技术对土木工程提出高标准要求。如发展核工业需要建造安全度极高的核反应堆和核电站；研究微观世界需要建造技术要求极高的加速器工程；发展海洋采、炼、贮油事业要求建造多功能的海洋工程，如海上钻井平台、海上炼油厂、海底油库等。

（2）城市建设立体化

20世纪中叶以来，城市建设有3个趋向：

——高层建筑的大量兴起　由于不少国家城市人口大量集聚，密度猛增，造成城市用房紧张、地价昂贵，因此就迫使建筑物向空间发展，不少国家的高层建筑几乎占整个城市建筑面积的30%～40%。美国的高层建筑数量最多，高度在160～200m的建筑就有100多幢。近20多年来，中国、马来西亚、新加坡、韩国等东南亚国家的高层建筑得到很大的发展。目前，世界最高的建筑为450m高的马来西亚的石油双塔大厦（见第5．6节图5．26）；拟建中的美国芝加哥米格林－拜特勒大厦的高度可达609．6m。

——地下工程的高速发展　如地下铁道、地下商业街、地下停车库、地下体育馆、地下影剧院、地下工业厂房、地下仓库等，在有些城市已经形成规模宏大的地下建筑群（参见6．1节）。

——城市高架公路、立交桥大量涌现　如我国首都北京从1974年开始建造第一座全互通式立交桥起，至1996年共建成各种形式和不同类型的道路立交桥160余座。它们的修建，不仅缓解了城市交通的拥挤、堵塞现象，同时又为城市建设的面貌增添了风采。

（3）交通运输高速化

其标志是：

——高速公路的大规模修建　据不完全统计，21世纪初全世界有60多个国家和地区拥有高速公路，总长约170　000km，其中有近20个国家和地区拥有1　000km以上，如美国约8．4万km，德国约9　000km。我国2011年时高速公路通车里程已达8．5万km，成为世界第二高速公路大国。高速公路已在一定程度上取代了铁路的职能。

——铁路电气化的形成和大量发展　1964年10月世界铁路运营史上第一块高速金牌在日本东京至大阪的“新干线”上诞生，它的行车时速达到210km，为普通铁路列车行车时速的3倍。1981年建成的法国巴黎到里昂的高速铁路运行时速高达270km，把高速铁路的发展推向新阶段。磁悬浮列车采用的电磁原理是1922年由德国工程师肯佩尔提出的，于1934年获得专利，到1983年才在德国建设了一条长32km的试验线，完成了载人试验，行驶速度达412km／h。我国高速铁路起步于2005年，2010年开通的京沪高速铁路（设计时速300km）全长1　318km，投资2　000多亿元，是目前世界上一次建成的最长的高速铁路。

——长距离海底隧道的出现　如日本越过津轻海峡连接本州（青森）与北海道（函馆）的青函海底隧道长达53．85km，是世界上最长的海底铁路隧道，见图2．7（a），它的埋深有100m，海水深度为140m。1990年贯通的英法海峡隧道长50．5km，它最浅处埋深45m，海水深度60m。我国1970年建成通车的第一条水底隧道（上海黄浦江打浦路隧道）全长2．76km，其隧道主体断面见图2．7（b）。

由于社会发展出现了以上3方面要求，必然使得构成土木工程的3个要素：材料、施工和设计理论，以及工程教育的理论也出现了新的发展趋势。它们是：

——建筑材料的轻质高强化　其中尤其发展迅速的是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，使混凝土的松散密度由2　400kg／m³降至600～1　100kg／m³，抗压强度由20～40N／mm²提高到60～100N／mm²，其他结构性能也得到很大改善。此外，钢材也向低合金、高强度方向发展；一批轻质高强材料，如铝合金、建筑塑料、玻璃钢也得到迅速发展。

——施工过程的工业化、装配化　即土木工程的施工出现了在工厂里成批生产房屋、桥梁的各种构配件、组合体，再将它们运到建设现场进行拼装的方式。此外，各种先进的施工手段如大型吊装设备、混凝土自动搅拌输送设备、现场预制模板、石方工程中的定向爆破等也得到很大发展。

——设计理论的精确化、科学化　它表现为理论分析由线性分析到非线性分析，由平面分析到空间分析，由单个分析到系统的综合整体分析，由静态分析到动态分析，由经验定值分析到随机分析乃至随机过程分析，由数值分析到模拟试验分析，由人工手算、人工做比较方案、人工制图到计算机辅助设计、计算机优化设计、计算机制图。此外，土木工程学的学科理论，如可靠性理论、土力学和岩体力学理论、结构抗震理论、动态规划理论、网格理论等也得到迅速发展。

——工程教育理念的工程化　随着20世纪中期以后科学、技术和工业化程度的迅猛进展，工程教育的理念也在不断进步。许多国家的工程教育从侧重“工程技术教育”进步到侧重“工程科学教育”。20世纪90年代，美国工程教育界提出“回归工程”，强调技术和科学教育的内容必须与工程实践紧密结合，成为“工程教育”。不久，美国麻省理工学院（MIT）校长又提出“大工程观（Engineering　with　a　big　E）”的教育理念，它指的是工程教育所培养的人才要有宏远的工程视野，工程中多学科及其所需要的科学基础素养，以及相应的人文情怀和工程组织营养。这些工程教育理念，已为我国高等工程教育所重视。(www.daowen.com)

下面仅以建筑结构的发展为例，用表2．1表示不同时期代表性建筑物的形式、所用主要材料、主要尺度、建造时间以及材料和设计理论对建筑结构发展的影响。由此可以推见上述3个历史时期变迁的概貌。

图2．7　青函海底隧道与上海打浦路水下隧道

（a）青函海底隧道路线示意；（b）上海打浦路水下隧道主体断面

复习思考题

2．1　什么叫土木工程？古代、近代、现代土木工程有哪些重要区别？土木工程和土木工程中的房屋、铁路……有什么区别？

2．2　土木工程的发展与哪些因素直接相关？

2．3　试述土木工程在国民经济发展中的地位和作用。

2．4　试以土木工程为核心，将与土木工程关系最密切的基础科学（数、理、化、天、地、生）、技术科学（材料学、各种力学、机械学、电工学、电子学、化学工程学等）和社会科学（经济学、市场学、法学、美学、社会学、管理学、伦理学等）写在内圈，次密切的写在外圈。

图2．8　思考题2．4附图

（a）土木工程与基础科学、技术科学的关系；（b）土木工程与社会科学的关系

2．5　你认为哪些工程属于土木工程的范畴？它们有何共同特点？

2．6　与建筑工程最相近的土木工程是什么？为什么说它们相近？

2．7　土木工程的基本内涵包含些什么？它们与工程所在地的自然环境（气温变化、湿度变化、土质、地下水、风、雪、冰冻、地形、地震……）有哪些重要关系？

2．8　土木工程的发展和材料有什么关系？和理论有什么关系？和社会的需求有什么关系？

2．9　你从土木工程发展简史中能预见今后土木工程的发展方向是什么？

2．10　谈谈你在学习本章后的体会。

【注释】

[1]此桥位于英国爱丁堡附近，跨度521m（1　710ft），桥面在水上45m（150ft），总耗钢50　000t。