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1、钱学森实验班土木工程专业导论一、教学目的：通过本课程的学习， 使学生对土木工程有一个初步的了解，产生深厚的兴趣， 巩固专业思想，激发学习的主动性和积极性。二、基本要求：要求学生了解土木工程专业培养目标的人材素质要求，了解土木工程的发展历史， 了解土木工程中的材料及力学和结构概念，重点掌握建筑工程、桥梁工程、道路工程、等基础知识，并对土木工程的建设、土木工程的展望、土木工程的灾害防范的知识也有一定的了解。三、主要内容及学时分配：（一）绪论（1学时）1、土木工程的概念建造各类工程设施的科学技术的总称。（1）土木工程是一种工程分科：土木工程是指用石材、砖、水泥、混凝土、钢材、钢筋混凝土、木材、建筑塑
2、料、 铝合金等建筑材料修建房屋、铁路、道路、机场、桥梁、隧道、运河、电站、堤坝、港口等工程的生产活动和工程技术。这种生产活动和工程技术，包括对上述各类工程的勘测、设计、施工、保养、维修等活 动以及于它们所需要的相应的工程技术。（2）土木工程也是一门学科 一一土木工程学：土木工程学是指运用数学、物理、化学等基础学科知识， 力学、材料等技术科学知识以及有关的工程技术知识来研究、设计、修建各种建筑物和构筑物的一门学科。2、土木工程的基本属性综合性、社会性、实践性技术、经济、艺术上的统一性3、土木工程需要解决的问题1） 营造人类生产、生活所需要的、有一定功能的、舒适美观的空间和通道；2）形成抵御自然、
3、人为对人类破坏作用的能力；3）科学、经济、合理地使用工程材料，充分发挥材料的作用；4）好、快、省地组织人力、财力和物力。4、土木工程活动内容技术方面：勘察、测量、设计、施工、监理、开发等；管理方面：制定政策法规、企业经营、项目管理、施工组织、物业管理等。5、土木工程专业含义培养能够完成土木工程建设活动有关技术、管理工作人才的学科门类。6、土木工程专业历史沿革（1）1896年，清末兴办现代大学教育，本着实业救国的理想，土木工程、采矿冶金工 程等工科专业是最早开办的专业之一；（2）1952年院系调整之后，成立了一批以土建为主的单科性学校，如同济大学、中南 土建学院等，至改革开放前（1978年），开
4、办土建类专业的学校约 40所；（3）1998年，教育部出台新专业目录，按照“大类培养、按需分流”的原则；由建筑工程、道路与桥梁工程、地下工程、城镇建设工程、岩土工程、矿井工程等8个专业合并成 土木工程专业；7、土木工程的发展简史（1）古代时间跨度：大致从旧石器时代 （ 约公元前 5000 年起 ） 到 17 世纪中叶 基本理论依据：无，依靠实践经验。基本设备工具：简单，斧、锤、刀、铲、石夯等。 建筑材料：取之于自然，石块、草、土坯等，公园前 1000 年开始烧制砖。（2）近代时间跨度：从 17 世纪中叶至 20 世纪中叶的 300 年间 . 基本理论依据：有力学和结构理论作指导； 建筑材料：砖
5、、瓦、木、石等建筑材料得到日益广泛的使用；混凝土、钢材、钢筋混凝 土以及早期的预应力混凝土得到发展；建筑技术：施工技术进步很大，建造规模日益扩大，建造速度大大加快。（3）现代20 世纪中叶第二次世界大战结束后至今的土木工程1）现代土木工程的特征：土木工程功能化；城市建设立体化；交通运输高速化；水利 工程大型化2）现代土木工程的发展趋势：建筑材料的轻质、高强化；施工过程的工业、装配化； 设计理论的精确、科学化8、土木工程的未来（1）土木工程将向海洋、荒漠、太空开拓 地球上的海洋面积占整个地球表面积的70左右，现在陆地上土地太少，首先想到的是可向海洋发展。 向海洋开拓近代已经开始。 为了防止噪音对
6、居民的影响， 也为了节约用地， 许多机场已开始填海造地。 如中国澳门机场， 日本关西国际机场均修筑了海上的人工岛， 在 岛上建跑道和候机楼。香港大屿山国际机场劈山填海，荷兰 Delf 围海造城都是利用海面造 福人类的宏大工程。 现代海上采油平台体积巨大， 在平台上建有生活区， 工人在平台上一工 作就是几个月， 如果将平台扩大，建成海上城市是完全可能的。另外， 从航空母舰和大型运 输船的建造得到启发， 人们已设想建立海上浮动城市。 海洋土木工程的兴建， 不仅可解决陆 地土地少的矛盾，同时也将对海底油气资源及矿物的开发提供立足之地。全世界陆地中约有 13 为沙漠或荒漠地区，千里荒沙、渺无人烟，目前
7、还很少开发。 沙漠难于利用主要是缺水，生态环境恶劣，日夜温差太大，空气干燥，太阳辐射太强，不适 于人类生存。近代许多国家已开始沙漠改造工程。 在我国西北部， 利用兴修水利， 种植固沙 植物，改良土壤等方法， 使一些沙漠变成了绿洲。 但大规模改造沙漠， 首先要解决水的问题。 目前设想有以下几种可能： 首先在沙漠地下找水， 如利比亚已发现撒哈拉大沙漠下有丰富 的地下水， 现已部分开始利用。 从南极将巨大的冰山拖人沙漠地区， 如沙特阿拉伯曾进行 可行性研究，运输不成问题，如何利用冰山才符合成本要求仍有待解决。进行海水淡化， 海水淡化方法有多种，但成本均居高不下，如果随着技术进步，成本降低， 这是最有
8、希望成 为沙漠水源的。 沙漠的改造利用不仅增加了有效土地利用面积， 同时还改善了全球生态环境。向太空发展是人类长期的梦想，在 21 世纪这一梦想可能变为现实。美籍华裔科学家林 柱铜博士利用从月球带回来的岩石烧制成了水泥。 可以设想， 只要将氢、 氧带上月球化合成 水，则可在月球上就地制造混凝土。林博士预计在月球上建造一个圆形基地，需水泥100t 、水 300t 和钢筋 360t ，而除水以外，其他材料均可从月球上就地制造。因为月球。亡有丰富 的矿藏， 美国已经计划在月球上建造一个基地。 日本人设想在月球上建立六角形的蜂房式基 地，用钢铁制成，可以拼接扩大，内部造成人工气候，使之适合人类居住。随
9、着太空站和月 球基地的建立， 人类可向火星进发。 与地球相似的是火星，但火星上缺氧， 如何使火星地球 化，人们设想利用生物工程， 将制氧微生物及低等植物移向火星， 使之在较短时间内走完地 球几亿年才走完的进程， 使火星适于人类居住， 那时人类便可向火星移民， 而火星到地球可 用宇宙飞船联系，人们的生活空间将大大扩展。（2）工程材料向轻质、高强、多功能化发展 近百年以来，土木工程的结构材料主要还是钢材、混凝土、木材和砖石。 21 世纪在工 程材料方面希望有较大突破。a、 传统材料的改性。混凝土材料应用很广，且耐久性好，但其强度（比钢材）低，韧性差，建造工程笨重而易开裂。目前常用混凝土强度可达 C
10、50-C60（强度为5060N/mm2）,特殊工程可达C80C100,今后将会有 C400的混凝土出现，而常用的混凝土可达C100左右。为了改善韧性， 加入微型纤维的混凝土， 塑料混合混凝土正在开发应用之中。对于钢材，主 要问题是易锈蚀、 不耐火, 必须研制生产耐锈蚀 （ 甚至不锈 ） 的钢材, 生产高效防火涂料用于 钢材及木材。b、化学合成材料的应用。目前的化学合成材料主要用于门窗、管材、装饰材料，今后 的发展是向大面积围护材料及结构骨架材料发展。 一些化工制品具有耐高温、 保温隔声、 耐 磨耐压等优良性能,用于制造隔板等非承重功能构件很理想。目前碳纤维以其轻质、高强、 耐腐蚀等优点而用于结
11、构补强,在其成本降低后可望用作混凝土的加筋材料。（ 3）设计方法精确化、设计工作自动化在 19 世纪与 20 世纪, 力学分析的基本原理和有关微分方程已经建立, 用之指导土木工 程设计也取得了巨大成功。 但是由于土木工程结构的复杂性和人类计算能力的局限性,人们对工程的设计计算还比较粗糙, 有一些还主要依靠经验。 三峡大坝, 用数值法分析其应力分 布,其方程组可达几十万甚至上百万个, 靠人工计算显然是不可能的。 快速电子计算机的出 现,使这一计算得以实现。类似的海上采油平台、核电站、摩天大楼、地下过海隧道等巨型 工程,有了计算机的帮助,便可合理地进行数值分析和安全评估。此外,计算机的进步,使 设
12、计由手工走向自动化。 目前许多设计部门已经丢掉了传统的制图版而改用计算机绘图,这一进程在未来的 21 世纪将进一步发展和完善。数值计算机的进步使过去不能计算的带有盲目性的估计可以变为较精确的分析。例如, 土木工程中的由各个杆件分析到整体分析； 工程结构的定型分析到按施工阶段的全过程仿真 分析；工程结构中在灾害载荷作用下的全过程非线性分析； 与时间有关的长时间徐变分析和 瞬间的冲击分析等。（4）信息和智能化技术全面引入土木工程信息、 计算机、 智能化技术在工业、 农业、运输业和军事工业等各行各业中得到了愈来 愈广泛的应用, 土木工程也不例外, 将这些高新技术应用于土木工程将是今后相当长时间的 重
13、要发展方向。现举一些例子加以说明。a、信息化施工。所谓信息化施工是在施工过程中所涉及的各部分各阶段广泛应用计算 机信息技术, 对工期、人力、 材料、 机械、 资金、进度等信息进行收集、存储、处理和交流, 并加以科学地综合利用, 为施工管理及时准确地提供决策依据。 例如, 在隧道及地下工程中 将岩土样品性质的信息、 掘进面的位移信息收集集中, 快速处理及时调整并指挥下一步掘进 及支护, 可以大大提高工作效率并可避免不安全的事故。 信息化施工还可通过网络与其他国 家和地区的工程数据库联系, 在遇到新的疑难问题时可及时查询解决。 信息化施工可大幅度 提高施工效率和保证工程质量,减少工程事故,有效控制
14、成本,实现施工管理现代化。b、智能化建筑。智能化建筑还没有确切的定义，但有两个方面的要求应予满足。一是 房屋设备应用先进的计算机系统监测与控制, 并可通过自动优化或人工干预来保证设备运行 的安全、 可靠、 高效。 例如有客来访, 可远距离看到形象并对话, 遇有歹徒可摄像、 可报警、 可自动关闭防护门等。 又如供暖制冷系统， 可根据主人需要调至一标准温度， 室温高了送冷 风，室温低了送暖风。 另一个方面是安装了对居住者的自动服务系统。 如早晨准点报时叫醒 主人， 并可根据需要放送新闻或提醒主人今天的主要日程安排， 同时早餐自动加工， 当你洗 漱完毕后即可用餐。 总之，这是一个非常温馨的住宅。对于
15、办公楼来讲，智能化要求配备办 公自动化设备、快速通讯设备、网络设备、房屋自动管理和控制设备。c、 智能化交通。智能化交通（1TS），在欧美已于90年代开始研究，中国也在迎头赶上。 智能化交通一般包括以下几个系统： 先进的交通管理系统； 交通信息服务系统； 车辆 控制系统； 车辆调度系统； 公共交通系统等。 它应具有信息收集、 快速处理、 优化决策、 大型可视化系统等功能。d、土木工程分析的仿真系统。许多工程结构是毁于台风、地震、火灾、洪水等灾害。在这种小概率、 大荷载作用下的工程结构的性能很难一去做实验去验证， 是参数变化条不 可能全模拟，二是实体试验成本过高，三是破坏实验有危险性，设备达不到要求。而计算机仿真技术可以在计算机上模拟原型大小的工程结构在灾害荷载作用下从变形到倒塌的全过 程，从而揭示结构不安全的部位和因素。用此技术指导设计可大大提高工程结构的可靠性。当然计算机应用于土木工程的例子还有许多，本书难以一一列举。土木工程中引入高新技 术后必将会有一个新的飞跃。（5）土木工程的可持续发展 面临人口的增长、生态失衡、环境污染、人类生存环境恶化，一些学者呼吁：“我们只有一个地球”，并提出“冻结繁荣，停止发展”的口号。这一口号不仅受到发达国家人士的 批评，更是受到发展中国家的一致反对。如果“停止发展” ，则发展中国家永远停留在落后 状态，这是不能接受的。20 世纪 8
