淺談土木工程發展新方向

王燕科

【摘要】土木工程的發展是伴隨著人類社會的進步不斷前進的。土木工程史是人類發展史的一個重要組成部分，是人類科學技術成就的反映。本文回顧土木工程的發展史，總結人類在土木工程方面取得的非凡成就。總結過去，展望未來，本文的重點在于探討土木工程未來發展的新方向。

【關鍵詞】 土木工程、發展史、工程理論、高性能材料、綠色建筑、全壽命周期

經濟、社會的快速發展給土木工程學科提供了機會，同時也需要土木工程技術的不斷進步；土木工程學科的進步也對經濟、社會的發展有著極為重要的影響。在人類歷史上，土木工程的技術進步是與社會經濟的發展相伴而行的。改革開放以來，我國進入飛速發展時期。社會經濟的發展使得我國有能力開展大型的、大規模的工程建設。一系列有國際影響力的工程成功實施：奧運場館、高鐵、地鐵、跨海大橋、海底隧道、國際機場等。這些大型工程的實施使我國土木工程各方面的人才得到了鍛煉，同時也標志著我國土木工程技術已達到世界先進水平。土木工程專業分工越來越細，需要研究的方向越來越多，但從大的方面來說，土木工程發展新方向還是在于新理論、新技術、新設計、新材料、新裝備這些方面。只有不斷發展的土木工程才能使這個古老的專業在新的社會發展形勢下永葆青春。

一、土木工程發展史

土木工程的發展史可以追溯到原始社會，從人工洞穴逐漸發展到地上建筑，人類有了真正意義上的建筑。

公元前11世紀到公元18世紀，人類可利用的建造材料種類不多，磚、瓦、石、木材、稀少的金屬材料，但也取得了非凡的成就，建造了很多精美壯麗的宮殿、廟宇、教堂。這一時期的代表作有金字塔、長城、古羅馬斗獸場、秦始皇陵等等偉大的建筑。由于這一時期的建造主要靠人類的經驗積累，在還沒有系統的土木工程理論，和同時期建造技術相比是滯后的。

公元18世紀以來土木工程進入快速發展期。力學的長足發展，理論力學、材料力學、結構力學、彈性力學等學科的建立使土木工程專業得到了最好的理論指導。水泥的發明，使人類得到了目前使用最廣泛的建造材料混凝土，金屬材料的廣泛使用，使以前不敢想象的大跨度、新高度成為了現實。各種大型機械設備的制造是土木工程的發展擺脫了人力有限帶來的制約。計算機的應用，使以前人工計算不可能完成的三維結構分析成為現代結構分析的常規方式，極大的提高了現代建筑的安全性。

二、土木工程發展現狀

現在已建立比較成熟的力學體系和有限元分析理論。計算機的普及和性能的不斷提升，使得復雜計算模型的分析計算成為現實。工程理論的成熟和各種數值計算方法的運用使土木工程的發展擺脫完全依賴經驗和實驗成為可能，從而避免傳統實驗存在的費用高、周期長、數據采集偏差等缺點。

工程材料方面，高強度鋼筋、鋼材、混凝土在大量工程建設中得到應用。型鋼混凝土、鋼管混凝土、組合材料等各種新型材料在大型復雜的工程項目上的應用使得現在的工程建設技術發展迅速。

各種大型橋梁工程、超高層建筑、地下工程的建設需要，樁基礎和基坑工程的施工技術不斷發展創新。混凝土施工技術的飛速發展，大跨和空間結構體系的發展，使得我國建成了一系列舉世矚目的現代工程，國家游泳中心（水立方）、國家大劇院、國家體育場（鳥巢）、上海中心等。

三、土木工程的發展新方向

3.1工程理論的完善和應用

目前的設計規范是土木工程理論的反映，對工程設計人員起著幫助和指導作用，但是還存在著需要完善和解決的問題。主要有：1、規范中的很多公式是基于有限的實驗推導出來的，不能完全反映材料的本構關系，特別是非線性材料；2、目前的規范大多采用的是基于概率理論為基礎的極限狀態設計方法，不能精確反映結構的安全度； 3、公式不能反映工程結構在全壽命周期中的的性狀與發展態勢；4、設計方法主要針對單個構件，缺少對結構體系的反映。

解決這些問題需要發展土木工程理論。目前這些都成為研究熱點：1、基于實驗數據或數值計算模擬建立各種材料本構關系；2、建立材料本構理論。工程界正在研究和解決目前理論上的不完善，損傷力學模型、斷裂力學模型、塑性與損傷相耦合理論這些為了揭示材料實際性能而建立起來的本構模型必將成為當前和今后的研究熱點。3、非線性計算精度與數值分析軟件的廣泛應用。基于數值計算方法的有限元分析時還存在著非線性影響因素多，結構計算結果離散性大；基于非線性分析的有限元計算軟件存在著計算量大，對計算人員的要求高，分析軟件目前只是在一些重大復雜的工程上應用。4、基于工程全壽命周期內結構性能的理論研究。

3.2高性能材料的應用

高性能材料的應用是順應社會發展的需要，合理使用的高性能材料的可在減少材料用量的同時提高結構可靠度。當前國家在大力發展綠色建筑，高性能材料具備解決資源，符合綠色建筑標準。當前發展起來的高強鋼筋混凝土、高強度鋼材、高強合金材料、型鋼混凝土、鋼管混凝土等各種高性能材料在工程上的使用，通過合理設計使得工程項目在節省材料的痛風石的安全性、耐久性、使用性均大大提高。如何使用高性能材料、如何將高性能材料的性能特點發揮在工程結構上是今后土木工程材料研究的重點之一。

3.3施工發展新方向

隨著土木工程學科的不斷發展，未來施工方法的不斷提高和機械設備的越來越先進是確信無疑的。未來的施工會和設計的關系會越來越密切，設計施工一體化會成為未來施工發展的新方向。

大型基坑和地下工程施工中都會對土體的各項參數進行實時監測。施工過程中根據監測數據實時調整設計方案。目前大跨結構在施工中都會根據施工時所處的具體環境進行針對性的設計，有些時候還會因為施工時環境與設計時考慮的因素存在差別而調整設計。

3.4綠色建筑設計理論與方法的發展

現在比以往任何時候都更加重視保護環境。我國當前正在進行著城鎮化建設。建設的規模和速度是空前的。但目前的建筑方式也給環境造成了巨大的壓力。

要解決建設發展給環境造成破壞的問題必須大力發展綠色建筑。綠色建筑的核心是：圍繞可持續性的城鎮建筑環境營造目標，遵循和貫徹環境熱舒適性科學原理，通過設計、施工、運營階段的手段，實現低碳和節能減排的目標，并為基于全壽命原則的建筑長期環境友好提供可能。我國在建設領域提出了節能、節財、節水、節地和環境保護的 “四節-環保”的建筑綠色發展方向。

可以預見在環境保護壓力日益增加的情況下，可持續發展的綠色建筑理論與方法的研究會成為今后土木工程發展新方向。

四、總結

土木工程學科建設對于我國國民經濟發展和提高改善人們生活環境起著重要的作用。改革開放以來，我國的基本建設投資對我國經濟快速發展起到了推動作用。現在我國正在實施城鎮化推進目標，日新月異的各類現代化的建筑，即反映著我國的經濟發展水平同時也應該看到對環境造成的壓力。現在城市化戰略的快速推進給土木工程學科帶來了機遇，同時也要求我們在土木工程學科研究方面不斷創新和超越。

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