土木工程，力學原理的王國

最近網(wǎng)上有一個很火的視頻，說的是四川大學副教授魏驍勇在課堂上徒手劈磚來講授物理力學原理，想必理科生都知道這其中涉及的動量定理和杠桿原理等力學原理。土木工程專業(yè)就是一個跟力學原理息息相關(guān)的專業(yè)。說到土木工程，大家都不會陌生，同學們的課本里就有不少涉及土木工程的課文，比如小學所學的《趙州橋》：“大橋洞頂上的左右兩邊，還各有兩個拱形的小橋洞。平時，河水從大橋洞流過；發(fā)大水的時候，河水還可以從四個小橋洞流過。這種設(shè)計，在建橋史上是一個創(chuàng)舉，既減輕了流水對橋身的沖擊力，使橋不容易被大水沖毀，又減輕了橋身的重量，節(jié)省了石料。”當時你讀這篇文章的時候，有沒有想過它運用了哪些力學的知識呢？

一個由力學組成的王國

趙州橋之所以特別，最大的原因在于李春在傳統(tǒng)的拱橋工藝上，對趙州橋的拱肩進行了重大改進，也就是課文所說的增加了四個小橋洞。這種大拱加小拱的敞肩拱，除了能增加泄洪能力，減輕橋身的自重外，還符合土木工程的結(jié)構(gòu)力學理論，敞肩拱式結(jié)構(gòu)在外荷作用下，拱主要產(chǎn)生壓力，而橋的拱結(jié)構(gòu)支座（也就是拱腳）產(chǎn)生水平推力，在橋兩邊的支座處的荷載可以傳給基礎(chǔ)，使構(gòu)件擺脫了彎曲變形，橋就不會因為上面的荷載而變形導致?lián)p壞。說到趙州橋的材料，用密度比較大的磚石去做拱，正好發(fā)揮磚石材料受壓性能好的特點。而且為了使相鄰拱石緊緊貼合在一起，每塊拱石的側(cè)面都鑿有細密斜紋，以增大摩擦力。這些措施的采用使整個大橋連成一個緊密整體，增強了整個大橋的穩(wěn)定性和可靠性。就是在結(jié)構(gòu)、材料、理論等力學的完美結(jié)合下，才使得趙州橋能屹立一千四百多年不被沖垮、不倒塌，并成為美國土木工程師學會選定的第12個“國際歷史土木工程的里程碑”。

各位，從這里可以看出，力學的學習是貫穿于土木工程的學習中的。我在學習土木工程這個專業(yè)的過程中，學過的力學有理論力學、材料力學、結(jié)構(gòu)力學、流體力學、土力學、結(jié)構(gòu)動力學、彈性力學等。它們涉及土木工程這個大學科的方方面面。

理論、材料與結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出的奇跡

下面我們就來認識土木工程力學的三駕馬車吧。

首先說理論力學，這個很簡單，就是高中物理力學和運動學知識的延伸。我們現(xiàn)在高中物理書除了電磁學和量子力學的章節(jié)不在土木工程學習的理論力學的范疇里，其他的都可以想象成牛頓、拉格朗日、高斯等大家對你的再次鞭策。也就是說，你必須要有高中的力學基礎(chǔ)。

材料力學則是伴隨著土建材料的發(fā)展而形成的。人們在古代早期只能依靠泥土、木料或其他天然材料從事建造活動，像我們熟悉的黃鶴樓、岳陽樓、滕王閣，都是木材料建筑物。到磚和瓦等材料出現(xiàn)后，人工建筑材料開始廣泛地被應(yīng)用于各種建筑中。李冰父子修建的都江堰和一直修到明清時期的中國長城都是其中的佼佼者。19世紀后，鋼材開始用于建造橋梁和房屋，最負盛名的埃菲爾鐵塔便是一座建于1889年的鋼結(jié)構(gòu)建筑，位于法國巴黎戰(zhàn)神廣場上的鏤空結(jié)構(gòu)鐵塔，高300米，天線高24米，總高324米。材料的發(fā)展使得材料力學發(fā)展迅猛，材料力學就是分析材料的幾何性質(zhì)和力學性質(zhì)，計算出材料的強度，研究其是否能夠承受其受到的荷載，以保證建筑的安全性能。

而說到結(jié)構(gòu)力學，最典型的就是我國的木結(jié)構(gòu)建筑。我國的木結(jié)構(gòu)建筑有兩大特點，一是木結(jié)構(gòu)大多是榫卯連接，即將木件打造成凹凸結(jié)構(gòu)，再把它們相互扣合，這種結(jié)構(gòu)的建筑很容易按人的空間需求來改建、加建或是遷建，有利于“變”。另一個特點是地上立柱，柱上架梁枋，梁枋上建屋頂。頂部重量就由梁枋到柱，再由柱到地面，墻壁只是起到隔斷作用而不承重。由于木結(jié)構(gòu)各個構(gòu)件之間榫卯連接富有韌性，即便墻倒也能“屋不塌”。這種技術(shù)一直流傳至今，最有名的榫卯連接建筑要數(shù)　2010　年上海世博會的中國館了。中國館的整體造型似斗拱，是典型的榫卯結(jié)合構(gòu)件，由斗與拱組合而成，從柱頂探出的弓形肘木叫拱，拱與拱之間的方形墊木叫斗，兩者合稱斗拱。作為力傳遞的中介，斗拱能把屋檐重量均勻地托住，起到了平衡穩(wěn)定的作用。古時候沒有力學理論，工匠們也只能口口相傳。后人們通過總結(jié)將這些內(nèi)容整理成一門科學，這就是結(jié)構(gòu)力學。

實踐是檢驗所學的第一標準

此外，土木工程專業(yè)的學生還必須熟練掌握基本的辦公軟件和AUTOCAD等繪圖軟件，掌握這些軟件，是能夠看懂和畫出施工圖、結(jié)構(gòu)圖的前提。而作為一門工科專業(yè)，土木工程自然也注重實驗，只有在實驗課上認真處理實驗數(shù)據(jù)，把理論知識和實驗知識有機地結(jié)合起來，才能將書本上縹渺的知識記錄到腦子里。土木工程專業(yè)也很注重實踐，我們每個學期的學習都會有實習安排，或是到工地施工放線，調(diào)經(jīng)緯儀進行施工測量，將組織施工的順序弄清楚；或是到設(shè)計院學習，熟練掌握CAD繪圖軟件等，這些實踐活動往往是你今后工作的前奏。學習土木工程更需要耐心，特別是在數(shù)學和力學的知識上要懂得深究。這些都是你以后從事土木工程工作所必備的素質(zhì)。

土木工程專業(yè)的學生畢業(yè)后多從事于工程設(shè)計、工程施工、工程管理、工程監(jiān)理四個方向的工作：

如果你是在設(shè)計院從事工程設(shè)計，能看懂設(shè)計圖，并能繪制出設(shè)計圖就非常關(guān)鍵了，在設(shè)計院工作的壓力也比較大，但是收入是和勞動量成正比的。如果從事工程施工，工作地點大多是工地，主要是根據(jù)建設(shè)工程設(shè)計要求，對建設(shè)工程進行施工。工程管理側(cè)重于工程建筑、施工管理以及房地產(chǎn)經(jīng)營開發(fā)，需要熟悉國家相關(guān)的方針政策和法規(guī)。工程監(jiān)理則是對工程建設(shè)投資、建設(shè)工期、工程質(zhì)量、工程合同進行管理，協(xié)調(diào)有關(guān)單位之間的工作關(guān)系，即“三控、兩管、一協(xié)調(diào)”。一般來說，工程設(shè)計人員的月薪在4000-8000元，工程施工人員月薪在3000-7000元，工程監(jiān)理人員月薪在3000-5000元，工程管理人員月薪在4000-10000元。當然個人收入是因工程規(guī)模而異。