土木工程發展簡史

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土木工程的發展貫通古今，它同社會、經濟，特別是與科學、技術的發展有密切聯繫。土木工程內涵豐富，而就其本身而言，則主要是圍繞著材料、施工、理論三個方面的演變而不斷發展的。為便於敘述，權且將土木工程發展史劃為古代土木工程、近代土木工程和現代土木工程三個時代。以17世紀工程結構開始有定量分析，作為近代土木工程時代的開端；把第二次世界大戰後科學技術的突飛猛進，作為現代土木工程時代的起點。人類最初居無定所，利用天然掩蔽物作為居處，農業出現以後需要定居，出現了原始村落，土木工程開始了它的萌芽時期。隨著古代文明的發展和社會進步，古代土木工程經歷了它的形成時期和發達時期，不過因受到社會經濟條件的制約，發展頗不平衡。古代的無數偉大工程建設，是燦爛古代文明的重要組成部分。古代土木工程最初完全採用天然材料，後來出現人工燒制的瓦和磚，這是土木工程發展史上的一件大事。古代的土木工程實踐套用簡單的工具，依靠手工勞動，並沒有系統的理論，但通過經驗的積累，逐步形成了指導工程實踐的成規。15世紀以後，近代自然科學的誕生和發展，是近代土木工程出現的先聲，是它開始在理論上的奠基時期。17世紀中葉，伽利略開始對結構進行定量分析，轎樂己潤被認為是土木工程進入近代的標誌。從此土木工程成為有理論基礎的獨立的學科。18世紀下半葉開始的產業革命，使以蒸汽和電力為動力的機械先後進入了土木工程領域，施工工藝和工具都發生了晚燥全變革。近代工業生產出新的工程材料──鋼鐵和水泥，土茅抹騙木工程發生了深刻的變化，使鋼結構、鋼筋混凝土結構、預應力混凝土結構相繼在土木工程中廣泛套用。第一次世界大戰後，近代土木工程在理論和實踐上都臻於成熟，可稱為成熟時期。近代土木工程幾百年的發展，在規模和速度上都大大超過了古代。第二次世界大戰後，現代科學技術飛速發展，土木工程也進入了一個新時代。現代土木工程所經歷的時間儘管只有幾十年，但以計算機技術廣泛套用為代表的現代科學技術的發展，使土木工程領域出現了嶄新的面貌。現代土木工程的新特徵是工程功能化、城市立體化和交通高速化等。土木工程在材料、施工、理論三個方面也出現了新趨勢，即材料輕質高強化、施工過程工業化和理論研究精密化。土木工程具有祝察綜合性、實踐性、社會性等屬性，牽涉面十分廣闊，這個簡史只是就發展的某些側面作概略的描述。古代土木工程土木工程的古代時期是從新石器時代開始的。隨著人類文明的進步和生產經驗的積累，古代土木工程的發展大體上可分為萌芽時期、形成時期和發達時期。萌芽時期　大致在新石器時代，原始人為避風雨、防獸害，利用天然的掩蔽物，例如山洞和森林作為住處。當人們學會播種收穫、馴養動物以後，天然的山洞和燥承勸森林已不能滿足需要，於是使用簡單的木、石、骨制工具，伐木採石，以粘土盛您精、木材和石頭等，模仿天然掩蔽物建造居住場所，開始了人類最早的土木工程活動。初期建造的住所因地理、氣候等自然條件的差異，僅有“窟穴”和“橧巢”兩種類型。在北方氣候寒冷乾燥地區多為穴居，在山坡上挖造橫穴，在平地則挖造袋穴。後來穴的面積逐漸擴大，深度逐漸減小。在中國黃河流域的仰韶文化遺址（約公元前5000～前3000年）中，遺存有淺穴和地面建築，建築平面有圓形、方形和多室聯排的矩形。西安半坡村遺址（約公元前4800～前3600年）有很多圓形房屋，直徑為5～6米，室內豎有木柱，以支頂上部屋頂，四周密排一圈小木柱，既起承托屋檐的結構作用，又是維護結構的龍骨；還有的是方形房屋，其承重方式完全依靠骨架，柱子縱橫排列，這是木骨架的雛形。當時的柱腳均埋在土中，木桿件之間用綁紮結合，牆壁抹草泥，屋頂鋪蓋茅草或抹泥。在西伯利亞發現用獸骨、北方鹿角架起的半地穴式住所。新石器時代已有了基礎工程的萌芽，柱洞裡填有碎陶片或鵝卵石，即是柱礎石的雛形。洛陽王灣的仰韶文化遺址（約公元前4000～前3000年）中，有一座面積約200米2的房屋，牆下挖有基槽，槽內填卵石，這是牆基的雛形。在尼羅河流域的埃及，新石器時代的住宅是用木材或卵石做成牆基，上面造木構架，以蘆葦束編牆或土坯砌牆，用密排圓木或蘆葦束做屋頂。在地勢低洼的河流湖泊附近，則從構木為巢發展為用樹枝、樹幹搭成架空窩棚或地窩棚，以後又發展為栽樁架屋的乾欄式建築。中國浙江吳興錢山漾遺酷刪坑才址（約公元前3000年），是在密樁上架木樑，上鋪懸空的地板。西歐一些地方也出現過相似的做法，今瑞士境內保存著湖居人在湖中木樁上構築的房屋。浙江餘姚河姆渡新石器時代遺址（約公元前5000～前3300年）中，有跨距達5～6米、聯排6～7間的房屋，底層架空（屬於乾欄式建築形式），構件之結點主要是綁紮結合，但個別建築已使用榫卯結合。在沒有金屬工具的條件下，用石制工具鑿出各種榫卯是很困難的，這種榫卯結合的方法代代相傳，延續到後世，為以木結構為主流的中國古建築開創了先例。隨著氏族群體日益繁衍，人們聚居在一起，共同勞動和生活。從中國西安半坡村遺址還可看到有條不紊的聚落布局，在滻河東岸的台地上遺存有密集排列的40～50座住房，在其中心部分有一座規模相當大的（平面約為12.5×14米）房屋，可能是會堂。各房屋之間築有夯土道路，居住區周圍挖有深、寬各約5米的防範襲擊的大壕溝，上面架有獨木橋。（見彩圖）這時期的土木工程還只是使用石斧、石刀、石錛、石鑿等簡單的工具，所用的材料都是取自當地的天然材料，如茅草、竹、蘆葦、樹枝、樹皮和樹葉、礫石、泥土等。掌握了伐木技術以後，就使用較大的樹幹做骨架；有了鍛燒加工技術，就使用紅燒土、白灰粉、土坯等，並逐漸懂得使用草筋泥、混合土等複合材料。人們開始使用簡單的工具和天然材料建房、築路、挖渠、造橋，土木工程完成了從無到有的萌芽階段。形成時期　隨著生產力的發展，農業、手工業開始分工。大約自公元前3千年，在材料方面，開始出現經過燒制加工的瓦和磚；在構造方面，形成木構架、石樑柱、券拱等結構體系；在工程內容方面，有宮室、陵墓、廟堂，還有許多較大型的道路、橋樑、水利等工程；在工具方面，美索不達米亞（兩河流域）和埃及在公元前3千年，中國在商代（公元前16～前11世紀），開始使用青銅製的斧、鑿、鑽、鋸、刀、鏟等工具。後來鐵制工具逐步推廣，並有簡單的施工機械，也有了經驗總結及形象描述的土木工程著作。公元前5世紀成書的《考工記》記述了木工、金工等工藝，以及城市、宮殿、房屋建築規範，對後世的宮殿、城池及祭祀建築的布局有很大影響。在一些國家或地區已形成早期的土木工程。中國在公元前21世紀，傳說中的夏代部落領袖禹用疏導方法治理洪水，挖掘溝洫，進行灌溉。公元前5～前4世紀，在今河北臨漳，西門豹主持修築引漳灌鄴工程，是中國最早的多首制灌溉工程。公元前3世紀中葉，在今四川灌縣，李冰父子主持修建都江堰，解決圍堰、防洪、灌溉以及水陸交通問題，是世界上最早的綜合性大型水利工程。（見彩圖）在大規模的水利工程、城市防護建設和交通工程中，創造了形式多樣的橋樑。公元前12世紀初，中國在渭河上架設浮橋，是中國最早在大河上架設的橋樑。再如在引漳灌鄴工程中，在汾河上建成30個墩柱的密柱木樑橋；在都江堰工程中，為了提供行船的通道，架設了索橋。中國利用黃土高原的黃土為材料創造的夯土技術，在中國土木工程技術發展史上占有很重要的地位（見中國古代土結構）。最早在甘肅大地灣新石器時期的大型建築就用了夯土牆。河南偃師二里頭有早商的夯築筏式淺基礎宮殿群遺址，以及鄭州發現的商朝中期版築城牆遺址、安陽殷墟（約公元前1100年）的夯土台基，都說明當時的夯土技術已成熟。以後相當長的時期里，中國的房屋等建築都用夯土基礎和夯土牆壁。春秋戰國時期，戰爭頻繁，廣泛用夯土築城防敵。秦代在魏、燕、趙三國夯土長城基礎上築成萬里長城，後經歷代多次修築，留存至今，成為舉世聞名的長城。（見彩圖）中國的房屋建築主要使用木構架結構。在商朝首都宮室遺址中，殘存有一定間距和直線行列的石柱礎，柱礎上有銅鑕，柱礎旁有木柱的燼餘，說明當時已有相當大的木構架建築。《考工記·匠人》中有“殷人……四阿重屋”的記載，可知當時已有兩層樓，四阿頂的建築了。西周的青銅器上也鑄有柱上置櫨斗的木構架形象，說明當時在樑柱結合處已使用“斗”，做過渡層，柱間聯繫構件“額枋”也已形成。這時的木構架已開始有中國傳統使用的柱、額、梁、枋、斗栱等。中國在西周時代已出現陶製房屋版瓦、筒瓦、人字形斷面的脊瓦和瓦釘，解決了屋面防水問題。春秋時期出現陶製下水管、陶製井圈和青銅製桿件結合構件。在美索不達米亞（兩河流域），制土坯和砌券拱的技術歷史悠久。公元前8世紀建成的亞述國王薩爾貢二世宮，是用土坯砌牆、用石板、磚、琉璃貼面。埃及人在公元前3千年進行了大規模的水利工程以及神廟和金字塔的修建中，積累和運用了幾何學、測量學方面的知識，使用了起重運輸工具，組織了大規模協作勞動。公元前27～前26世紀，埃及建造了世界最大的帝王陵墓建築群──吉薩金字塔群（參見彩圖）。這些金字塔，在建築上計算準確，施工精細，規模宏大。建造了大量的宮殿和神廟建築群，如公元前16～前4世紀在底比斯等地建造的凱爾奈克神廟建築群。希臘早期的神廟建築用木屋架和土坯建造，屋頂荷重不用木柱支承，而是用牆壁和石柱承重。約在公元前7世紀，大部分神廟已改用石料建造。公元前5世紀建成的雅典衛城，在建築、廟宇、柱式等方面都具有極高的水平。其中，如巴台農神廟全用白色大理石砌築，廟宇宏大，石質樑柱結構精美，是典型的列柱圍廊式建築。在城市建設方面，早在公元前2千年前後，印度建摩亨朱達羅城，城市布局有條理，方格道路網主次分明，陰溝排水系統完備。中國現存的春秋戰國遺址證實了《考工記》中有關周朝都城“方九里、旁三門，國(都城)中九經九緯（縱橫幹道各九條），經塗九軌（南北方向的幹道可九車並行），左祖右社（東設皇家祭祖先的太廟，西設祭國土的壇台），面朝後市（城中前為朝廷，後為市肆）”的記載。這時中國的城市已有相當的規模，如齊國的臨淄城，寬3公里，長4公里，城濠上建有8米多跨度的簡支木橋，橋兩端為石塊和夯土製作的橋台。發達時期　由於鐵制工具的普遍使用，提高了工效；工程材料中逐漸增添複合材料；工程內容則根據社會的發展，道路、橋樑、水利、排水等工程日益增加，大規模營建了宮殿、寺廟，因而專業分工日益細緻，技術日益精湛，從設計到施工已有一套成熟的經驗：①運用標準化的配件方法加速了設計進度，多數構件都可以按“材”或“斗口”、“柱徑”的模數進行加工；②用預製構件，現場安裝，以縮短工期；③統一籌劃，提高效益，如中國北宋的汴京宮殿，施工時先挖河引水，為施工運料和供水提供方便，竣工時用渣土填河；④改進當時的吊裝方法，用木材製成“戥”和絞磨等起重工具，可以吊起三百多噸重的巨材，如北京故宮三台的雕龍御路石以及羅馬聖彼得大教堂前的方尖碑等。建築工程　中國古代房屋建築主要是採用木結構體系，歐洲古代房屋建築則以石拱結構為主。①木結構。中國古建築在這一時期又出現了與木結構相適應的建築風格，形成獨特的中國木結構體系(見中國古代木結構)。根據氣候和木材產地的不同情況，在漢代即分為抬梁、穿斗、井幹三種不同的結構方式，其中以抬梁式為最普遍。在平面上形成柱網，柱網之間可按需要砌牆和安門窗。房屋的牆壁不承擔屋頂和樓面的荷重，使牆壁有極大的靈活性。在宮殿、廟宇等高級建築的柱上和檐枋間安裝斗栱。佛教建築是中國東漢以來建築活動中的一個重要方面，南北朝和唐朝大量興建佛寺。公元8世紀建的山西五台山南禪寺正殿和公元9世紀建的佛光寺大殿，是遺留至今較完整的中國木構架建築。中國佛教建築對於日本等國也有很大影響。佛塔的建造促進了高層木結構的發展，公元2世紀末，徐州浮屠寺塔的“上累金盤，下為重樓”，是在吸收、融合和創造的過程中，把具有宗教意義的印度窣堵坡豎在樓閣之上（稱為剎），形成樓閣式木塔。公元11世紀建成山西應縣佛宮寺釋迦塔（應縣木塔），塔高67.3米，八角形，底層直徑30.27米，每層用樑柱斗拱組合為自成體系的完整、穩定的構架，9層的結構中有8層是用3米左右的柱子支頂重疊而成，充分做到了小材大用。塔身採用內外兩環柱網，各層柱子都向中心略傾（側腳），各柱的上端均鋪斗拱，用交圈的扶壁拱組成雙層套筒式的結構。這座木塔不僅是世界上現存最高的木結構之一，而且在桿件和組合設計上，也隱涵著對結構力學的巧妙運用。（見彩圖）②磚石結構。約自公元1世紀，中國東漢時，磚石結構有所發展（見中國古代石結構、中國古代磚結構。在漢墓中已可見到從梁式空心磚逐漸發展為券拱和穹窿頂。根據荷載的情況，有單拱券、雙層拱券和多層券。每層券上臥鋪一層條磚，移為“伏”。這種券伏相結合的方法在後來的發券工程中普遍採用。自公元4世紀北魏中期，磚石結構已用於地面上的磚塔、石塔建築以及石橋等方面。公元6世紀建於河南登封縣的嵩岳寺塔，是中國現存最早的密檐磚塔。（見彩圖）早在公元前4世紀，羅馬採用券拱技術砌築下水道、隧道、渡槽等土木工程，在建築工程方面繼承和發展了古希臘的傳統柱式。公元前2世紀，用石灰和火山灰的混合物作膠凝材料(後稱羅馬水泥)製成的天然混凝土，廣泛套用，有力地推動了古羅馬的券拱結構的大發展。公元前1世紀，在券拱技術基礎上又發展了十字拱和穹頂。公元2世紀時，在陵墓、城牆、水道、橋樑等工程上大量使用發券。券拱結構與天然混凝土並用，其跨越距離和覆蓋空間比樑柱結構要大得多，如萬神廟(120～124年)的圓形正殿屋頂，直徑為43.43米，是古代最大的圓頂廟。卡拉卡拉浴室（211～217年）採用十字拱和拱券平衡體系。古羅馬的公共建築類型多，結構設計、施工水平高，樣式手法豐富，並初步建立了土木建築科學理論，如維特魯威著《建築十書》（公元前1世紀）奠定了歐洲土木建築科學的體系，系統地總結了古希臘、羅馬的建築實踐經驗。古羅馬的技術成就對歐洲土木建築的發展有深遠影響。進入中世紀以後，拜占廷建築繼承古希臘、羅馬的土木建築技術並吸收了波斯、小亞一帶文化成就，形成了獨特的體系，解決了在方形平面上使用穹頂的結構和建築形式問題，把穹頂支承在獨立的柱上，取得開敞的內部空間，如聖索菲亞教堂（532～537年）為磚砌穹頂，外面覆蓋鉛皮，穹頂下的空間深68.6米，寬32.6米，中心高55米。8世紀在庇里牛斯半島上的阿拉伯建築，運用馬蹄形、火焰式、尖拱等拱券結構。科爾多瓦大禮拜寺（785～987年），即是用兩層疊起的馬蹄券。（見彩圖）中世紀西歐各國的建築，義大利仍繼承羅馬的風格，以比薩大教堂建築群（11～13世紀）為代表；其他各國則以法國為中心，發展了哥德式教堂建築的新結構體系。哥德式建築採用骨架券為拱頂的承重構件，飛券扶壁抵擋拱腳的側推力，並使用二圓心尖券和尖拱。巴黎聖母院（1163～1271年）的聖母教堂是早期哥德式教堂建築的代表。（見彩圖）15～16世紀，標誌義大利文藝復興建築開始的佛羅倫斯教堂穹頂（1420～1470年），是世界最大的穹頂，在結構和施工技術上均達到很高的水平。集中了16世紀義大利建築、結構和施工最高成就的，則是羅馬聖彼得大教堂（1506～1626年）。義大利文藝復興時期的土木建築工程內容廣泛，除教堂建築外，還有各種公共建築、廣場建築群，如威尼斯的聖馬可廣場等；人才輩出，理論活躍，如L.B.阿爾貝蒂著《論建築》（1455年）是義大利文藝復興期最重要的理論著作，體系完備，影響很大；施工技術和工具都有很大進步，工具除已有打樁機外，還有桅式和塔式起重設備以及其他新的工具。其他土木工程　發達時期的其他土木工程也有很多重大成就。秦朝在統一中國的過程中，運用各地不同的建設經驗，開闢了聯接鹹陽各宮殿和苑囿的大道，以鹹陽為中心修築了通向全國的馳道，主要線路寬50步，統一了車軌，形成了全國規模的交通網。比中國的秦馳道早些，在歐洲，羅馬建設了以羅馬城為中心，包括有29條輻射主幹道和322條聯絡幹道，總長達78000公里的羅馬大道網。漢代的道路約達30萬里以上，為了越過高峻的山巒，修建了褒斜道、子午道，恢復了金牛道等許多著名棧道，所謂“棧道千里，通於蜀漢”。隨著道路的發展，在通過河流時需要架橋渡河，當時橋的構造已有許多種形式。秦始皇為了溝通渭河兩岸的宮室，首先營建鹹陽渭河橋，為68跨的木構梁式橋，是秦漢史籍記載中最大的一座木橋。還有留存至今的世界著名隋代單孔圓弧弓形敞肩石拱橋──趙州橋。(見彩圖）這個時期水利工程也有新的成就。公元前3世紀，中國秦代在今廣西興安開鑿靈渠，總長34公里，落差32米，溝通湘江、灕江，聯繫長江、珠江水系，後建成能使“湘漓分流”的水利工程。公元前3～公元2世紀之間，古羅馬採用券拱技術築成隧道、石砌渡槽等城市輸水道11條，總長530公里。其中如尼姆城的加爾河谷輸水道橋（公元1世紀建），有268.8米長的一段是架在3層疊合的連續券上（見彩圖）。公元7世紀初，中國隋代開鑿了世界歷史上最長的大運河，共長2500公里，13世紀元代興建大都（今北京），科學家郭守敬進行了元大都水系的規劃，由北部山中引水，匯合西山泉水匯成湖泊，流入通惠河。這樣可以截留大量水源，既解決了都城的用水，又接通了從都城向南直達杭州的南北大運河。在城市建設方面，中國隋朝在漢長安城的東南，由宇文愷規劃、興建大興城。唐朝復名為長安城，陸續改建，南北長9.72公里，東西寬8.65公里，按方整對稱的原則，將宮城和皇城放在全城的主要位置上，按縱橫相交的棋盤形街道布局，將其餘部分劃為108個裡坊，分區明確、街道整齊。對城市的地形、水源、交通、防禦、文化、商業和居住條件等，都作了周密的考慮。它的規劃、設計為日本建設平安京（今京都）所借鑑。在土木工程工藝技術方面也有進步。分工日益細緻，工種已分化出木作(大木作、小木作)、瓦作、泥作、土作、雕作、旋作、彩畫作和窯作（燒磚、瓦）等。到15世紀義大利的有些工程設計，已由過去的行會師傅和手工業匠人逐漸轉向出身於工匠而知識化了的建築師、工程師來承擔。出現了多種儀器，如抄平水準設備、度量外圓和內圓及方角等幾何形狀的器具“規”和“矩”。計算方法方面的進步，已能繪製平面、立面、剖面和細部大樣等詳圖，並且用模型設計的表現方法。大量的工程實踐促進人們認識的深化，編寫出了許多優秀的土木工程著作，出現了眾多的優秀工匠和技術人才，如中國宋喻皓著《木經》、李誡著《營造法式》，以及義大利文藝復興時期阿爾貝蒂著《論建築》等。歐洲於12世紀以後興起的哥德式建築結構，到中世紀後期已經有了初步的理論，其計算方法也有專門的記錄。近代土木工程從17世紀中葉到20世紀中葉的300年間，是土木工程發展史中迅猛前進的階段。這個時期土木工程的主要特徵是：在材料方面，由木材、石料、磚瓦為主，到開始並日益廣泛地使用鑄鐵、鋼材、混凝土、鋼筋混凝土，直至早期的預應力混凝土；在理論方面，材料力學、理論力學、結構力學、土力學、工程結構設計理論等學科逐步形成，設計理論的發展保證了工程結構的安全和人力物力的節約；在施工方面，由於不斷出現新的工藝和新的機械，施工技術進步，建造規模擴大，建造速度加快了。在這種情況下，土木工程逐漸發展到包括房屋、道路、橋樑、鐵路、隧道、港口、市政、衛生等工程建築和工程設施，不僅能夠在地面，而且有些工程還能在地下或水域內修建。土木工程在這一時期的發展可分為奠基時期、進步時期和成熟時期三個階段。奠基時期　17世紀到18世紀下半葉是近代科學的奠基時期，也是近代土木工程的奠基時期。伽利略、I.牛頓等所闡述的力學原理是近代土木工程發展的起點。義大利學者伽利略在1638年出版的著作《關於兩門新科學的談話和數學證明》中，論述了建築材料的力學性質和梁的強度，首次用公式表達了梁的設計理論。這本書是材料力學領域中的第一本著作，也是彈性體力學史的開端。1687年牛頓總結的力學運動三大定律是自然科學發展史的一個里程碑，直到現在還是土木工程設計理論的基礎。瑞士數學家L.歐拉在1744年出版的《曲線的變分法》建立了柱的壓屈公式，算出了柱的臨界壓曲荷載，這個公式在分析工程構築物的彈性穩定方面得到了廣泛的套用。法國工程師C.-A.de庫侖1773年寫的著名論文《建築靜力學各種問題極大極小法則的套用》，說明了材料的強度理論、梁的彎曲理論、擋土牆上的土壓力理論及拱的計算理論。這些近代科學奠基人突破了以現象描述、經驗總結為主的古代科學的框框，創造出比較嚴密的邏輯理論體系，加之對工程實踐有指導意義的復形理論、振動理論、彈性穩定理論等在18世紀相繼產生，這就促使土木工程向深度和廣度發展。儘管同土木工程有關的基礎理論已經出現，但就建築物的材料和工藝看，仍屬於古代的範疇，如中國的雍和宮、法國的羅浮宮、印度的泰姬陵(見彩圖）、俄國的冬宮等。土木工程實踐的近代化，還有待於產業革命的推動。由於理論的發展，土木工程作為一門學科逐步建立起來，法國在這方面是先驅。1716年法國成立道橋部隊，1720年法國政府成立交通工程隊，1747年創立巴黎橋路學校，培養建造道路、河渠和橋樑的工程師。所有這些，表明土木工程學科已經形成。進步時期　18世紀下半葉，J.瓦特對蒸汽機作了根本性的改進。蒸汽機的使用推進了產業革命。規模宏大的產業革命，為土木工程提供了多種性能優良的建築材料及施工機具，也對土木工程提出新的需求，從而促使土木工程以空前的速度向前邁進。土木工程的新材料、新設備接連問世，新型建築物紛紛出現。1824年英國人J.阿斯普丁取得了一種新型水硬性膠結材料──波特蘭水泥的專利權，1850年左右開始生產。1856年大規模煉鋼方法──貝塞麥轉爐煉鋼法發明後，鋼材越來越多地套用於土木工程。1851年英國倫敦建成水晶宮，採用鑄鐵樑柱，玻璃覆蓋。1867年法國人J.莫尼埃用鐵絲加固混凝土製成了花盆，並把這種方法推廣到工程中，建造了一座貯水池，這是鋼筋混凝土套用的開端。1875年，他主持建造成第一座長16米的鋼筋混凝土橋。1886年，美國芝加哥建成家庭保險公司大廈，9層，初次按獨立框架設計，並採用鋼樑，被認為是現代高層建築的開端。1889年法國巴黎建成高300米的艾菲爾鐵塔，使用熟鐵近8000噸。（見彩圖）土木工程的施工方法在這個時期開始了機械化和電氣化的進程。蒸汽機逐步套用於抽水、打樁、挖土、軋石、壓路、起重等作業。19世紀60年代內燃機問世和70年代電機出現後，很快就創製出各種各樣的起重運輸、材料加工、現場施工用的專用機械和配套機械，使一些難度較大的工程得以加速完工；1825年英國首次使用盾構開鑿泰晤士河河底隧道；1871年瑞士用風鑽修築8英里長的隧道；1906年瑞士修築通往義大利的19.8公里長的辛普朗隧道（見彩圖），使用了大量黃色炸藥以及鑿岩機等先進設備。瑞士國有鐵路供稿產業革命還從交通方面推動了土木工程的發展。在航運方面，有了蒸汽機為動力的輪船，使航運事業面目一新，這就要求修築港口工程，開鑿通航輪船的運河。19世紀上半葉開始，英國、美國大規模開鑿運河，1869年蘇伊士運河通航和1914年巴拿馬運河的鑿成，體現了海上交通已完全把世界聯成一體。在鐵路方面，1825年G.史蒂芬森建成了從斯托克頓到達靈頓、長21公里的第一條鐵路，並用他自己設計的蒸汽機車行駛，取得成功。以後，世界上其他國家紛紛建造鐵路。1869年美國建成橫貫北美大陸的鐵路，20世紀初俄國建成西伯利亞大鐵路。20世紀鐵路已成為不少國家國民經濟的大動脈。1863年英國倫敦建成了世界第一條地下鐵道，長7.6公里。以後世界上一些大城市也相繼修建了地下鐵道。在公路方面，1819年英國馬克當築路法明確了碎石路的施工工藝和路面鎖結理論，提倡積極發展道路建設，促進了近代公路的發展。19世紀中葉內燃機製成和1885～1886年德國C.F.本茨和G.W.戴姆勒製成用內燃機驅動的汽車；1908年美國福特汽車公司用傳送帶大量生產汽車以後，大規模地進行公路建設工程。鐵路和公路的空前發展也促進了橋樑工程的進步。早在1779年英國就用鑄鐵建成跨度30.5米的拱橋。1826年英國T.特爾福德用鍛鐵建成了跨度177米的麥內懸索橋，1850年R.史蒂芬森用鍛鐵和角鋼拼接成不列顛箱管橋，1890年英國福斯灣建成兩孔主跨達521米的懸臂式桁架梁橋。現代橋樑的三種基本形式（梁式橋、拱橋、懸索橋）在這個時期相繼出現了。近代工業的發展，人民生活水平的提高，人類需求的不斷增長，還反映在房屋建築及市政工程方面。電力的套用，電梯等附屬設施的出現，使高層建築實用化成為可能；電氣照明、給水排水、供熱通風、道路橋樑等市政設施與房屋建築結合配套，開始了市政建設和居住條件的近代化；在結構上要求安全和經濟，在建築上要求美觀和適用。科學技術發展和分工的需要，促使土木和建築在19世紀中葉，開始分成為各有側重的兩個單獨學科分支。工程實踐經驗的積累促進了理論的發展。19世紀，土木工程逐漸需要有定量化的設計方法。對房屋和橋樑設計，要求實現規範化。另一方面由於材料力學、靜力學、運動學、動力學逐步形成，各種靜定和超靜定桁架內力分析方法和圖解法得到很快的發展。1825年C.-L.-M.-H.納維建立了結構設計的容許應力分析法；19世紀末G.D.A.里特爾等人提出鋼筋混凝土理論，套用了極限平衡的概念；1900年前後鋼筋混凝土彈性方法被普遍採用。各國還制定了各種類型的設計規範。1818年英國不列顛土木工程師會的成立，是工程師結社的創舉，其他各國和國際性的學術團體也相繼成立。理論上的突破，反過來極大地促進了工程實踐的發展，這樣就使近代土木工程這個工程學科日臻成熟。成熟時期　第一次世界大戰以後，近代土木工程發展到成熟階段。這個時期的一個標誌是道路、橋樑、房屋大規模建設的出現。在交通運輸方面，由於汽車在陸路交通中具有快速和機動靈活的特點，道路工程的地位日益重要。瀝青和混凝土開始用於鋪築高級路面。1931～1942年德國首先修築了長達3860公里的高速公路網（見聯邦德國高速公路），美國和歐洲其他一些國家相繼效法。20世紀初出現了飛機，飛機場工程迅速發展起來。鋼鐵質量的提高和產量的上升，使建造大跨橋樑成為現實。1918年加拿大建成魁北克懸臂橋，跨度548.6米；1937年美國舊金山建成金門懸索橋，跨度1280米，全長2825米，是公路橋的代表性工程；1932年，澳大利亞建成悉尼港橋，為雙鉸鋼拱結構，跨度503米。（見彩圖）工業的發達，城市人口的集中，使工業廠房向大跨度發展，民用建築向高層發展。日益增多的電影院、攝影場、體育館、飛機庫等都要求採用大跨度結構。1925～1933年在法國、蘇聯和美國分別建成了跨度達60米的圓殼、扁殼和圓形懸索屋蓋。中世紀的石砌拱終於被近代的殼體結構和懸索結構所取代。1931年美國紐約的帝國大廈落成，共102層，高378米，有效面積16萬米2，結構用鋼約5萬餘噸，內裝電梯67部，還有各種複雜的管網系統，可謂集當時技術成就之大成，它保持世界房屋最高紀錄達40年之久。（見彩圖）1906年美國舊金山發生大地震，1923年日本關東發生大地震，生命財產遭受嚴重損失。1940年美國塔科馬懸索橋毀於風振。這些自然災害推動了結構動力學和工程抗害技術的發展。另外，超靜定結構計算方法不斷得到完善，在彈性理論成熟的同時，塑性理論、極限平衡理論也得到發展。近代土木工程發展到成熟階段的另一個標誌是預應力鋼筋混凝土的廣泛套用。1886年美國人P.H.傑克孫首次套用預應力混凝土製作建築構件，後又用於製作樓板。1930年法國工程師E.弗雷西內把高強鋼絲用於預應力混凝土，弗雷西內於1939年、比利時工程師G.馬涅爾於1940年改進了張拉和錨固方法，於是預應力混凝土便廣泛地進入工程領域，把土木工程技術推向現代化。中國清朝實行閉關鎖國政策，近代土木工程進展緩慢，直到清末出現洋務運動，才引進一些西方技術。1909年，中國著名工程師詹天佑主持的京張鐵路建成，全長約200公里，達到當時世界先進水平。全路有四條隧道，其中八達嶺隧道長1091米。到1911年辛亥革命時，中國鐵路總里程為9100公里。1894年建成用氣壓沉箱法施工的灤河橋，1901年建成全長1027米的松花江桁架橋，1905年建成全長3015米的鄭州黃河橋。中國近代市政工程始於19世紀下半葉，1865年上海開始供應煤氣，1879年旅順建成近代給水工程，相隔不久，上海也開始供應自來水和電力。1889年唐山設立水泥廠，1910年開始生產機制磚。中國近代土木工程教育事業開始於1895年創辦天津北洋西學學堂（後稱北洋大學，今天津大學）和1896年創辦北洋鐵路官學堂（後稱唐山交通大學，今西南交通大學）。中國近代建築以1929年建成的中山陵（見彩圖）和1931年建成的廣州中山紀念堂（跨度30米）為代表。1934年在上海建成了鋼結構的24層的國際飯店，21層的百老匯大廈（今上海大廈）和鋼筋混凝土結構的12層的大新公司。到1936年，已有近代公路11萬公里。中國工程師自己修建了浙贛鐵路，粵漢鐵路的株洲至韶關段以及隴海鐵路西段等。1937年建成了公路鐵路兩用鋼桁架的錢塘江橋，長1453米，採用沉箱基礎。1912年成立中華工程師會，詹天佑為首任會長，30年代成立中國土木工程師學會（見中國土木工程學會）。到1949年土木工程高等教育基本形成了完整的體系。中國已擁有一支龐大的近代土木工程技術力量。　現代土木工程現代土木工程以社會生產力的現代發展為動力，以現代科學技術為背景，以現代工程材料為基礎，以現代工藝與機具為手段高速度地向前發展。第二次世界大戰結束後，社會生產力出現了新的飛躍。現代科學技術突飛猛進，土木工程進入一個新時代。在近40年中，前20年土木工程的特點是進一步大規模工業化，而後20年的特點則是現代科學技術對土木工程的進一步滲透。中國在1949年以後，經歷了國民經濟恢復時期和規模空前的經濟建設時期。例如，到1965年全國公路通車裡程80餘萬公里，是解放初期的10倍；鐵路通車裡程5萬餘公里，是50年代初的兩倍多；火力發電容量超過2000萬千瓦，居世界前五位。1979年後中國致力於現代化建設，發展加快。列入第六個五年計畫（1981～1985年）的大中型建設項目達890個。1979～1982年間全國完成了3.1億米2住宅建築；城市給水普及率已達80％以上；北京等地高速度地進行城市現代化建設；京津塘（北京—天津—塘沽）高速公路和廣深珠（廣州—深圳、廣州—珠海）高速公路開始興建；有些鐵路正在實現電氣化；濟南、天津等地跨度200多米的斜張橋相繼建成；全國各地建成大量10餘層到50餘層的高層建築。這些都說明中國土木工程已開始了現代化的進程。從世界範圍來看，現代土木工程為了適應社會經濟發展的需求，具有以下一些特徵：工程功能化　現代土木工程的特徵之一，是工程設施同它的使用功能或生產工藝更緊密地結合。複雜的現代生產過程和日益上升的生活水平，對土木工程提出了各種專門的要求。現代土木工程為了適應不同工業的發展，有的工程規模極為宏大，如大型水壩混凝土用量達數千萬立方米，大型高爐的基礎也達數千立方米；有的則要求十分精密，如電子工業和精密儀器工業要求能防微振。現代公用建築和住宅建築不再僅僅是傳統意義上徒具四壁的房屋，而要求同採暖、通風、給水、排水、供電、供燃氣等種種現代技術設備結成一體。對土木工程有特殊功能要求的各類特種工程結構也發展起來。例如，核工業的發展帶來了新的工程類型。80年代初世界上已有23個國家擁有核電站277座，在建的還有613座，分布在40個國家。中國也已開始核電站建設。核電站的安全殼工程要求很高。又如為研究微觀世界，許多國家都建造了加速器。中國從50年代以來建成了60餘座加速器工程，目前正在興建3座大規模的加速器工程，這些工程的要求也非常嚴格。海洋工程發展很快，80年代初海底石油的產量已占世界石油總產量的23％，海上鑽井已達3000多口，固定式鑽井平台已有300多座。中國在渤海、南海等處已開採海底石油。海洋工程已成為土木工程的新分支。現代土木工程的功能化問題日益突出，為了滿足極專門和更多樣的功能需要，土木工程更多地需要與各種現代科學技術相互滲透。城市立體化　隨著經濟的發展，人口的增長，城市用地更加緊張，交通更加擁擠，這就迫使房屋建築和道路交通向高空和地下發展。高層建築成了現代化城市的象徵。1974年芝加哥建成高達433米的西爾斯大廈（見彩圖），超過1931年建造的紐約帝國大廈的高度。現代高層建築由於設計理論的進步和材料的改進，出現了新的結構體系，如剪力牆、筒中筒結構(見筒體結構)等。美國在1968～1974年間建造的三幢超過百層的高層建築，自重比帝國大廈減輕20％，用鋼量減少30％。高層建築的設計和施工是對現代土木工程成就的一個總檢閱。城市道路和鐵路很多已採用高架，同時又向地層深處發展。地下鐵道在近幾十年得到進一步發展，捷運早已電氣化，並與建築物地下室連線，形成地下商業街。北京地下鐵道在1969年通車後，1984年又建成新的環形線（見彩圖）。地下停車庫、地下油庫日益增多。城市道路下面密布著電纜、給水、排水、供熱、供燃氣的管道，構成城市的脈絡。現代城市建設已經成為一個立體的、有機的系統，對土木工程各個分支以及他們之間的協作提出了更高的要求。交通高速化　現代世界是開放的世界，人、物和信息的交流都要求更高的速度。高速公路雖然1934年就在德國出現，但在世界各地較大規模的修建，是第二次世界大戰後的事。1983年，世界高速公路已達11萬公里，很大程度上取代了鐵路的職能。高速公路的里程數，已成為衡量一個國家現代化程度的標誌之一。鐵路也出現了電氣化和高速化的趨勢。日本的“新幹線”鐵路行車時速達210公里以上，法國巴黎到里昂的高速鐵路運行時速達260公里。從工程角度來看，高速公路、鐵路在坡度、曲線半徑、路基質量和精度方面都有嚴格的限制。交通高速化直接促進著橋樑、隧道技術的發展。不僅穿山越江的隧道日益增多，而且出現長距離的海底隧道。日本從青森至函館越過津輕海峽的青函海底隧道即將竣工，隧道長達53.85公里。航空事業在現代得到飛速發展，航空港遍布世界各地。航海業也有很大發展，世界上的國際貿易港口超過2000個，並出現了大型貨櫃碼頭。中國的塘沽、上海、北侖、廣州、湛江等港口也已逐步實現現代化，其中一些還建成了貨櫃碼頭泊位。在現代土木工程出現上述特徵的情況下，構成土木工程的三個要素（材料、施工和理論）也出現了新的趨勢。材料輕質高強化　現代土木工程的材料進一步輕質化和高強化。工程用鋼的發展趨勢是採用低合金鋼。中國從60年代起普遍推廣了錳矽系列和其他系列的低合金鋼，大大節約了鋼材用量並改善了結構性能。高強鋼絲、鋼絞線和粗鋼筋的大量生產，使預應力混凝土結構在橋樑、房屋等工程中得以推廣。標號為500～600號的水泥已在工程中普遍套用，近年來輕集料混凝土和加氣混凝土已用於高層建築。例如美國休斯敦的貝殼廣場大樓，用普通混凝土只能建35層，改用了陶粒混凝土，自重大大減輕，用同樣的造價建造了52層。而大跨、高層、結構複雜的工程又反過來要求混凝土進一步輕質、高強化。高強鋼材與高強混凝土的結合使預應力結構得到較大的發展。中國在橋樑工程、房屋工程中廣泛採用預應力混凝土結構。重慶長江橋的預應力T構橋（見預應力混凝土橋），跨度達174米；24～32米的預應力混凝土梁在鐵路橋樑工程中用了6萬多孔；先張法和後張法的預應力混凝土屋架、吊車梁和空心板在工業建築和民用建築中廣泛使用。鋁合金、鍍膜玻璃、石膏板、建築塑膠、玻璃鋼等工程材料發展迅速。新材料的出現與傳統材料的改進是以現代科學技術的進步為背景的。施工過程工業化　大規模現代化建設使中國和蘇聯、東歐的建築標準化達到了很高的程度。人們力求推行工業化生產方式，在工廠中成批地生產房屋、橋樑的種種構配件、組合體等。預製裝配化的潮流在50年代後席捲了以建築工程為代表的許多土木工程領域。這種標準化在中國社會主義建設中，起了積極作用。中國建設規模在絕對數字上是巨大的，30年來城市工業與民用建築面積達23億多米2，其中住宅10億米2，若不廣泛推行標準化，是難以完成的。裝配化不僅對房屋重要，也在中國橋樑建設中引出裝配式輕型拱橋，從60年代開始採用與推廣，對解決農村交通起了一定作用。在標準化向縱深發展的同時，種種現場機械化施工方法在70年代以後發展得特別快。採用了同步液壓千斤頂的滑升模板廣泛用於高聳結構。1975年建成的加拿大多倫多電視塔高達553米（見彩圖），施工時就用了滑模，在安裝天線時還使用了直升飛機。現場機械化的另一個典型實例是用一群小提升機同步提升大面積平板的升板結構施工方法。近10年來中國用這種方法建造了約300萬米2房屋。此外，鋼製大型模板、大型吊裝設備與混凝土自動化攪拌樓、混凝土攪拌輸送車、輸送泵等相結合，形成了一套現場機械化施工工藝，使傳統的現場灌築混凝土方法獲得了新生命，在高層、多層房屋和橋樑中部分地取代了裝配化，成為一種發展很快的方法。現代技術使許多複雜的工程成為可能，例如中國寶成鐵路有80％的線路穿越山嶺地帶，橋隧相連，成昆鐵路橋隧總長占40％（見彩圖）；日本山陽線新大阪至博多段的隧道占50％；蘇聯在靠近北極圈的寒冷地帶建造第二條西伯利亞大鐵路；中國的川藏公路、青藏公路直通世界屋脊。由於採用了現代化的盾構，隧道施工加快，精度也提高。土石方工程中廣泛採用定向爆破，解決大量土石方的施工。理論研究精密化　現代科學信息傳遞速度大大加快，一些新理論與方法，如計算力學、結構動力學、動態規劃法、網路理論、隨機過程論、濾波理論等的成果，隨著計算機的普及而滲進了土木工程領域。結構動力學已發展完備。荷載不再是靜止的和確定性的，而將被作為隨時間變化的隨機過程來處理。美國和日本使用由計算機控制的強震儀台網系統，提供了大量原始地震記錄。日趨完備的反應譜方法和直接動力法在工程抗震中發揮很大作用。中國在抗震理論、測震、震動台模擬試驗以及結構抗震技術等方面有了很大發展。靜態的、確定的、線性的、單個的分析，逐步被動態的、隨機的、非線性的、系統與空間的分析所代替。電子計算機使高次超靜定的分析成為可能，例如高層建築中框架-剪刀牆體系和筒中筒體系的空間工作，只有用電算技術才能計算。電算技術也促進了大跨橋樑的實現，1980年英國建成亨伯懸索橋，單跨達1410米，1983年西班牙建成盧納預應力混凝土斜張橋，跨度達440米；中國於1975年在雲陽建成第一座斜張橋後，濟南黃河斜張橋跨度為220米（見彩圖），天津永和橋跨度達260米。大跨度建築的形式層出不窮，薄殼、懸索、網架和充氣結構覆蓋大片面積，滿足種種大型社會公共活動的需要。1959年巴黎建成多波雙曲薄殼的跨度達210米；1976年美國紐奧良建成的網殼穹頂直徑為207.3米；1975年美國密西根龐蒂亞克體育館充氣塑膠薄膜覆蓋面積達35000多米2，可容納觀眾8萬人。中國也建成了許多大空間結構，如上海體育館圓形網架直徑110米（見彩圖），北京工人體育館懸索屋面淨跨為94米。大跨建築的設計也是理論水平的一個標誌。從材料特性、結構分析、結構抗力計算到極限狀態理論，在土木工程各個分支中都得到充分發展。50年代美國、蘇聯開始將可靠性理論引入土木工程領域。土木工程的可靠性理論建立在作用效應和結構抗力的機率分析基礎上。工程地質、土力學和岩體力學的發展為研究地基、基礎和開拓地下、水下工程創造了條件。計算機不僅用以輔助設計，更作為最佳化手段；不但運用於結構分析，而且擴展到建築、規劃領域。理論研究的日益深入，使現代土木工程取得許多質的進展，並使工程實踐更離不開理論指導。此外，現代土木工程與環境關係更加密切，在從使用功能上考慮使它造福人類的同時，還要注意它與環境的諧調問題。現代生產和生活時刻排放大量廢水、廢氣、廢渣和噪聲，污染著環境。環境工程，如廢水處理工程等又為土木工程增添了新內容。核電站和海洋工程的快速發展，又產生新的引起人們極為關心的環境問題。現代土木工程規模日益擴大，例如：世界水利工程中，庫容300億米3以上的水庫為28座，高於200米的大壩有25座。烏干達歐文瀑布水庫庫容達2040億米3，蘇聯羅貢土石壩高325米；中國葛洲壩截斷了世界最大河流之一的長江，並又開始籌建三峽高壩；巴基斯坦引印度河水的西水東調工程規模很大；中國在1983年完成了引灤入津工程。這些大水壩的建設和水系調整還會引起對自然環境的另一影響，即干擾自然和生態平衡，而且現代土木工程規模愈大，它對自然環境的影響也愈大。因此，伴隨著大規模現代土木工程的建設，帶來一個保持自然界生態平衡的課題，有待綜合研究解決。

土木工程發展簡史

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