课题二　土木工程发展简史

土木工程从起源至今经历了漫长的发展过程，在漫长的演变和发展过程中，不断地注入了新的内涵。它与社会、经济、科学技术的发展密切相关，而就其本身而言，则主要围绕着材料、施工技术、力学与结构理论的演变而不断发展。

土木工程经历了古代、近代、现代三个历史时期。

一、古代土木工程

古代土木工程是从新石器时代开始，到公元17世纪工程结构有了定量的理论分析为止。这一时期，人类实践应用简单的工具，依靠手工劳动，没有系统的理论，但是在此期间人类发明了烧制的瓦和砖，这是土木工程发展史上的一件大事，同时，人类也建造了不少辉煌而伟大的工程。

随着历史的发展，人类社会的进步，人们开始掘地为穴、搭木为桥，开始了原始的土木工程。在中国黄河流域的仰韶文化遗址（公元前5000～前3000年）中，发现了遗存浅穴和地面建筑。西安半坡村遗址（公元前4800～前3600年）中有很多圆形房屋，直径5～6m，室内竖有木柱来支撑上部屋顶，如图1-1所示。洛阳王湾的仰韶文化遗址（公元前4000～前3000年）中有一座面积为200m2的房屋，墙下挖有基槽，槽内有卵石，这是墙基的雏形。

英格兰的索尔兹伯里的石环，距今已有四千余年，石环直径约32m，单石高达6m，采用巨型青石近百块，每块重达10t，石环间平放着厚重的石梁，这种梁柱结构方式至今仍为建筑的基本结构体系之一。大约公元前3世纪出现了经过烧制的砖和瓦，在构造方面，形成了木构架、石梁柱等结构体系，还有许多较大型土木工程。

随着生产力的发展，私有制取代了原始的公有制，奴隶社会代替了原始社会。在奴隶社会里，奴隶主利用奴隶们的无偿劳动力，建造了大规模的建筑物，推动了社会文明的进步，也促进了建筑技术的发展。古代的埃及、印度、罗马等先后建造了许多大型建筑、桥梁、输水道等。

埃及的吉萨金字塔群（建于公元前2700～前2600年）如图1-2所示，它造型简单、计算准确、施工精细、规模宏大，是人类伟大的文化遗产。

公元前5世纪～前4世纪，在我国河北临漳，西门豹主持修筑引漳灌邺工程。公元前3世纪中叶，在今四川灌县，李冰父子主持修建都江堰，解决围堰、防洪、灌溉以及水陆交通问题，是世界上最早的综合性大型水利工程，如图1-3所示。长城原是春秋战国时各诸侯国为互相防御而修建的城墙。秦始皇于公元前221年统一全国后，为防御北方匈奴贵族的侵犯，于公元前214年在魏、赵、燕三国修建的土长城的基础上进行修缮。明代为了防御外族的侵扰，前后修建长城18次，西起嘉峪关，东至山海关，总长6700km，成为举世闻名的万里长城，如图1-4所示。

欧洲以石拱建筑为主的古典建筑在这一时期就已达到了很高的水平。早在公元前4世纪，罗马采用券拱技术砌筑下水道、隧道、渡槽等土木工程；在建筑工程方面则继承和发展了古希腊的传统柱式，如万神庙（公元120～124年）的圆形正殿屋顶，直径43.43m，是古代最大的圆顶庙。意大利的比萨大教堂建筑群、法国的巴黎圣母院教堂（公元1163～1127年），均为拱券结构。圣保罗主教堂是英国最大的教堂，是英国古典主义建筑的代表，教堂内部进深141m，翼部宽30.8m，中央穹顶直径34m，顶端离地111.5m。

古希腊是欧洲文化的摇篮，公元前5世纪建成的以帕提农神庙为主体的雅典卫城，是最杰出的古希腊建筑，造型典雅壮丽，用白色大理石砌筑，庙宇宏大，石制梁柱结构精美，在建筑和雕刻上都有很高的成就，是典型的列柱围廊式建筑，如图1-5所示。

古罗马建筑对欧洲乃至世界建筑都产生了巨大的影响。古罗马大斗兽场在功能、形式与结构上做到了和谐统一，建筑平面成椭圆形，长轴188m，短轴156m，立面为4层，总高48.5m，场内有60排座位，80个出入口，可容纳4.8～8万名观众，如图1-6所示。

我国古代建筑的一大特点是木结构占主导地位。现存高层木结构实物，当以山西应县佛宫寺释迦塔（建于1056年）为代表，塔身外观5层，内有4个暗层，共有9层，高67m，平面成八角形，是世界上现存最高的木结构之一。

古代土木工程在建筑工程上取得巨大成绩的同时，在其他方面也取得了重大成就。秦朝在统一中国后，修建了以咸阳为中心的通向全国的驰道，形成了全国规模的交通网。在欧洲，罗马建设了以罗马为中心，包括29条辐射主干道和322条联络干道，总长达78000km的罗马大道网。道路的发展推动了桥梁工程的发展，桥梁结构最早为行人的石板桥和木梁桥，后来逐步发展成石拱桥。现保存最完好的我国最早石砌拱桥为河北赵县的安济桥，又名赵州桥，如图1-7所示。它建于公元595～605年，为隋朝匠人李春设计并参加建造，该桥全部用石灰石建成，全长50.83m，净跨37.02m，矢高7.23m，矢跨比小于1/5，桥面宽9m。该桥在材料使用、结构受力、艺术造型和经济上都取得了极高的成就。

在水利工程方面，公元前3世纪，中国秦代在今广西兴安开凿灵渠，总长34km，落差32m，沟通湘江、漓江，联系长江、珠江水系，后建成使用“湘漓分流”的水利工程。运河为人工开挖的水道，用以沟通不同的河流、水系和海洋，连接重要城镇和矿区，发展水上运输。公元7世纪初，我国隋代开凿修建的京杭大运河，全长2500km，它北起北京，经天津市和河北、山东、江苏、浙江四省，南至杭州，是世界历史上最长的运河，至今该运河的江苏、浙江段仍是重要的水运通道。这一时期，城市建设和工艺技术方面也都取得了很多成绩。人们在大量建造土木工程的同时，注意总结经验，促进意识的深化，编写了许多优秀的土木工程著作，出现了许多优秀的工匠和技术人才，如中国的《木经》《营造法式》（李诚著），意大利的《论建筑》（阿尔贝蒂著）等。

二、近代土木工程

从17世纪中叶到20世纪中叶的300年间，土木工程有了飞速迅猛的发展。伽利略在1638年出版的著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》中，论述了建筑材料的力学性能和梁的强度。1687年牛顿总结的力学运动三大定律是土木工程设计理论的基础。瑞士数学家欧拉在1744年出版的《曲线的变分法》中建立了柱的压屈公式。1773年法国工程师库仑著的《建筑静力学各种问题极大极小法则的应用》一文说明了材料的强度理论及一些构件的力学理论。18世纪下半叶，瓦特发明的蒸汽机的使用推动了产业革命，为土木工程提供了多种建筑材料和施工机具，同时也对土木工程提出了新的要求。

1824年英国人J·阿斯普丁发明了波特兰水泥，1856年转炉炼钢法取得成功，两项发明为钢筋混凝土的产生奠定了基础。1867年法国人J·莫尼埃用钢丝加固混凝土制成了花盆，并把这种方法推广到工程中，建造了一座贮水池，这是钢筋混凝土应用的开端。1875年他主持建造成第一座长16m的钢筋混凝土桥。1886年，在美国芝加哥建成的9层家庭保险公司大厦，被认为是现代高层建筑的开端。1889年在法国巴黎建成高300m的埃菲尔铁塔。

产业革命还从交通方面推动了土木工程的发展。蒸汽轮船的出现推动了航运事业的发展，同时也推动了港口和码头的修建、运河的开凿。苏伊士运河建于1859～1869年，贯通苏伊士海峡，连接地中海和红海，从塞得港至陶菲克港，长161km，连同深入地中海和红海的河段，总长173km，河面宽60～100m，平均水深15m，可通8万吨巨轮，使从西欧到印度洋间的航程比绕道非洲好望角缩短了5500～8000km。1825年G·斯蒂芬森建成了从斯托克特到达灵顿的长21km的第一条铁路，1869年美国建成横贯北美大陆的铁路，20世纪初俄国建成西伯利亚铁路。1863年英国伦敦建成世界上第一条地铁，长6.7km。1819年英国马克当筑路法明确了碎石路的施工工艺和路面锁结理论。在桥梁工程方面，1779年英国用铸铁建成了跨度30.5m的拱桥，1826年英国T·特尔福德用锻铁建成了跨度177m的梅奈悬索桥。1890年英国福斯湾建成两孔主跨达521m的悬臂式桁架梁桥。19世纪，设计理论进一步发展并有所突破，土木方面的协会、团体也相继出现。

第一次世界大战以后，道路、桥梁、房屋大规模出现。道路建设方面，沥青混凝土开始用于高级路面。1931～1942年德国首先修筑了长达3860km的高速公路网。1918年加拿大建成魁北克悬臂桥，跨度548.6m。1937年美国旧金山建成金门悬索桥，跨度1280m，全长2825m。

随着工业的发展和城市人口的增多，大跨度和高层建筑相继出现。1925～1933年在法国、苏联和美国分别建成了跨度达60m的圆壳、扁壳和圆形悬索屋盖。中世纪的石砌拱终于被壳体结构和悬索结构取代。1931年美国纽约的帝国大厦落成，共102层，高378m，结构用钢5万多吨，内有电梯67部，可谓集当时技术之大成，它保持世界房屋最高纪录达40年之久。

1886年美国人P·H杰克逊首次应用预应力混凝土制作建筑构件后，预应力混凝土先后在一些工程中得到应用并得到进一步发展。超高层建筑相继出现，大跨度桥梁也不断涌现，至此土木工程开始向现代化迈进。

水利建设方面宏伟的成就是两条大运河的建成通航，一条是1869年开凿成功的苏伊士运河，将地中海和印度洋连接起来，这样从欧洲到亚洲的航行不必再绕行南非；另一条是1914年建成的巴拿马运河，它将太平洋和大西洋直接联系起来，在全球运输中发挥了巨大作用。

必须看到，近代土木工程的发展是以西方土木工程的发展为代表的，这一时期的中国，由于清政府采取闭关锁国的政策，土木工程技术进展缓慢，直到清末洋务运动开始后，才引进了一些西方的先进技术，并建造了一些对中国近代经济发展有影响的工程。例如：1909年詹天佑主持的京张铁路建成，全长200km，达到当时世界先进水平。1889年唐山设立水泥厂。1910年开始生产机制砖。1934年上海建成24层的国际饭店，21层的百老汇大厦。1937年已有近代公路11万公里。中国土木工程教育事业开始于1895年的北洋大学（今天津大学）和1896年的北洋铁路官学堂（今西南交通大学）。1912年成立中华工程师学会，詹天佑为首任会长。20世纪30年代成立中国土木工程学会。

三、现代土木工程

现代土木工程以社会生产力的现代发展为动力，以现代科学技术为背景，以现代科学材料为基础，以现代工艺与机具为手段高速地向前发展。

现代土木工程是以第二次世界大战后为起点。由于经济复苏，科学技术得到飞速发展，土木工程也进入了新的时代。从世界范围来看，现代土木工程具有以下特点：

1．土木工程功能化

现代土木工程的特征之一是工程设施同它的使用功能或生产工艺紧密地结合在一起。现代土木工程已超出了它的原始意义的范畴，随着各行各业飞速发展，其他行业对土木工程提出了更高的要求，土木工程必须适应其他行业的发展要求。土木工程与其他行业的关系越来越密切，它们相互依存、相互渗透、相互作用、共同发展。例如大型挡水坝的混凝土浇筑量达数千万立方米，有的高炉基础达数千万立方米。满足土木工程特殊功能要求的特种工程结构也发展起来。如核工业的发展带来了新的工程类型。目前世界上已有30多个国家或地区建有核电站。根据国际原子能机构（IAEA）统计，截至2012年12月底，共有437台核电机组在运行，总装机容量约3.7亿千瓦。核电站主要分布在北美的美国、加拿大，欧洲的法国、英国、俄罗斯、德国和东亚的日本、韩国等一些工业化国家。

随着社会的进步，经济的发展，现代土木工程也要满足人们日益增长的对物质和文化生活的需要，现代化的公用建筑和住宅工程融各种设备及高科技产品成果于一体，不再仅仅是传统意义上的只是四壁的房屋。

2．城市建设立体化

城市在平面上向外扩展的同时，也向地下和高空发展，高层建筑成了现代化城市的象征。美国的高层建筑数量最多，高度在160～200m的建筑就有100多幢。1973年在美国芝加哥建成高达443m的西尔斯大厦，如图1-8所示，其高度比1931年建造的纽约帝国大厦高出65m左右。2010年在阿拉伯联合酋长国建成高828m的迪拜塔，目前世界最高，如图1-9所示。总高为632m的上海中心大厦为中国第一高楼，位居世界第三。

图1-8　美国西尔斯大夏

图1-9　阿拉伯联合酋长国迪拜塔

地铁、地下商店、地下车库和油库日益增多。道路下面密布着的电缆、给水、排水、供热、煤气、通信等管网构成了城市的脉络。现代城市建设已成为一个立体的、有机的整体，对土木工程各个分支以及它们之间的协作提出了更高的要求。

3．交通运输高速化

市场经济的繁荣与发展，对运输系统提出了快速、高效的要求，而现代化技术的进步也为满足这种要求提供了条件。现在人们常说“地球越来越小了”，这是运输高速化的结果。

高速公路出现于第二次世界大战前，但到战后才在各国大规模兴建。据不完全统计，全世界80多个国家和地区拥有高速公路，我国《国家公路网规划（2013年—2030年）》提出，未来我国公路网总规模约580万公里，其中国家公路约40万公里。在40万公里的国家公路中，普通公路网26.5万公里，国家高速公路网11.8万公里，还有1.8万公里的展望线。铁路运输在公路、航空运输的竞争中也开始快速化和高速化。速度在150～200km/h以上的高速铁路先后在日本、法国和德国建成。截止至2018年末，我国铁路营业总里程是13.2万公里，这个数字比1949年增长了5倍；高铁从无到有，现在通车里程达到2.9万公里，居世界第一。上海引进磁悬浮高速铁道系统，其试验速度已达500km/h以上，目前已建成并投入商业营运。飞机是最快捷的运输工具，但成本高、运输量小。二战以后飞机的容量愈来愈大，功能愈来愈多，因此，许多国家和地区相继建设了先进的大型航空港。1974年投入使用的巴黎戴高乐机场，拥有4条跑道，跑道面层混凝土厚400mm，机场占地面积2.995×107m2，高峰时每分钟可起降2～3架飞机。美国芝加哥国际机场，年吞吐量4000万人次，高峰时每小时起降飞机200架次，居世界第一。我国在北京、上海、香港新建或扩建的机场均已跨入世界大型航空港之列。这种庞大的空中交通设施，对机场的导航系统、客货出入分流系统、安全检查系统、故障紧急救援系统均有很严格的要求，完成这样巨大的航空港建设没有现代土木工程技术是不能实现的。

4．工程设施建设大型化

为了满足能源、交通、环保及大众公共活动的需要，许多大型的土木工程在二战后陆续建成并投入使用。

古代建设交通道路是“逢山开路，遇水架桥”，但真的遇到大江大河或高山险岭，还是得绕行。如我国长江，直到1956年才有了第一座跨江大桥。有了现代化的施工技术，跨江河甚至跨海湾的大桥陆续建成。自1937年美国金门悬索桥一跨超过千米以后，目前已有6座悬索桥的跨度超过了金门大桥。其中，日本明石海峡大桥，主跨1991m，于1998年建成，它连接了日本的本洲与四国岛，是目前世界上跨度最大的悬索桥。居世界第二位的是中国的西堠门大桥，跨度1650m，于2009年建成。第三大跨为丹麦的大贝尔特东桥，主跨1624m，于1998年建成。居世界第二位的是中国的杨泗港长江大桥，跨度1700m，于2019年建成。第三大跨为中国的西堠门大桥，主跨1650m，于2009年建成。

在拱桥方面，南斯拉夫克尔克二号混凝土拱桥跨度达390m，在相当长的时间内位居世界第一。现在位居世界第一的是中国的重庆朝天门长江大桥，主跨552米，全长1741米，若含前后引桥段则长达4881米，建成于2009年，第二大跨的为中国的上海卢浦大桥，主跨550米，直线引桥全长3900米，建成于2003年，居世界第三位的是美国的美国新河峡谷大桥，主跨518米，建成于1977年。

斜拉桥是二战以后出现的新桥型。排名第一的是2012年建成的俄罗斯的俄罗斯岛大桥，主跨径长1104m，第二的是在建的中国的沪通长江大桥，主跨径长1092m，第三为2008年建成的中国的苏通长江大桥，主跨径为1088m。

在隧道方面，近代开凿了许多穿过大山或越过大江、海峡的通道。目前世界上最长隧道是2016年建成的瑞士的圣哥达基线隧道，全长57.1km，其次为日本的青函海峡隧道，长53.9km，于1988年建成通车。

在高层建筑方面，1994年美国芝加哥建成的西尔斯大厦，110层，高443m。目前中国最高的建筑为上海中心大厦，118层，高632m。国内其他有代表性的高层建筑有：上海金茂大厦，高420.5m；深圳地王大厦，高325m；广州中天广场，高321.9m；广东国际会议中心，高200m。

在高耸结构方面，东京晴空塔，其高度为634.0m，于2011年11月17日获得吉尼斯世界纪录认证为“世界第一高塔”，为世界之冠；第二位则为2009年建成的中国的广州塔，高600m。在大跨度建筑方面，主要是体育馆、展览厅和大型储罐。如美国西雅图的金群体育馆为钢结构穹球顶，直径达202m。法国巴黎工业展览馆的屋盖跨度为218m×218m，由装配式薄壳组成。北京工人体育馆为悬索屋盖，直径90m。于2019年9月25日正式投入运营的北京大兴国际机场，占地140万平方米，相当于63个天安门广场的大小。屋顶投影面积相当于25个足球场，用钢量达到5.5万吨，等于一个北京鸟巢，是全球最大的单体航站楼。日本于1993年建成的预应力混凝土液化气储罐，容量达14×104m3。瑞典、挪威、法国等欧洲国家，在地下岩石中修建不衬砌的油库和气库，其容量高达几十万甚至上百万立方米。

为了满足日益增加的能源要求，海上采油平台、核发电站等也加快了建造速度。20世纪50年代才开始和平利用核能建造原子能电站，目前中国大陆地区在用核电机组达38台，装机容量约3700万千瓦；在建18台，装机容量约2100万千瓦，分列世界第四和世界第一。再如海上采油平台，全世界已有300多座，中国在渤海、东海和南海也建有多座采油钻井平台，正在开采海底石油。这种平台所处环境恶劣、荷载复杂、施工困难而功能要求很高，平台的建造可以显示其土木工程的技术水平。

水利工程中筑坝蓄水，对灌溉、航运、发电有许多益处。目前世界上最高的水坝为在建的中国的双江口水电站，建成后坝高314m，其次为中国的小湾水电站，坝高294.5m，第三为瑞士的大迪克桑斯坝，是世界最高的混凝土重力坝，坝高285m。为了减小坝体断面，减少工程量，二战后发展了钢筋混凝土拱坝。当今世界上最高的双曲拱坝是俄罗斯的英古里坝，坝高272m。我国贵州乌江渡坝为拱形重力坝，坝高165m。在装机发电容量方面，超过1×107kW的电站有3座，分别为美国大古里水电站，总装机容量1030×104kW；委内瑞拉水电站，装机容量1083×104kW；我国的三峡水利枢纽，水电站主坝高190m，总装机容量2250×104kW，名列世界第一，巴西-巴拉圭的伊泰普水电站，总装机容量为l400×104kW，居世界第二，排名第三的为中国的溪洛渡水电站，总装机容量为1386×104kW。

综观土木工程历史，中国在古代土木工程中拥有光辉成就，至今仍有许多历史遗存，有的已列入世界文化遗产名录，在近代却进展很慢，这与封建时代末期落后的制度有关。近20年来，中国的土木工程取得了举世瞩目的成就。以往在列举世界有名的土木工程时，只有长城、故宫、赵州桥等古代建筑，而现在无论是高层建筑、大跨桥梁，还是宏伟机场、港口码头，中国在前十名中均有建树，有的已列前三名，甚至第一名。这些成就均是改革开放以来取得的。