第01章 緒論

1、 土木工程概論土木工程概論本 章 內 容 1.1 1.1 土木工程與土木工程專業(yè)土木工程與土木工程專業(yè) 1.2 1.2 土木工程發(fā)展歷史簡述土木工程發(fā)展歷史簡述 1.3 1.3 土木工程的進展土木工程的進展 1.4 1.4 土木工程專業(yè)的學習建議土木工程專業(yè)的學習建議 1.1 1.1 土木工程與土木工程專業(yè)土木工程與土木工程專業(yè)土木工程概念與定義土木工程概念與定義l土木工程土木工程，英文為Civil Engineeringl國務院學位委員會在公布的學科簡介中為土木工程所下的定義為：土木工程是建造各類工程設施的科學技術的總稱，它既指工程建設的對象，即建在地上、地下、水中的各種工程設施，也指所應用

2、的材料、設備和所進行的勘測設計、施工、保養(yǎng)、維修等技術。土木工程范疇土木工程范疇l從建造的對象看，土木工程包括建筑工程、道路工程、橋梁工程、隧道工程、機場工程、地下工程、市政工程、港口工程、海洋工程、水利工程等l從使用的材料看，可分為金屬結構、混凝土結構、高分子材料結構、木結構、石結構、土結構等。l從技術性質看，涉及到勘測、設計、施工、管理、養(yǎng)護、維修等。l從職業(yè)分工看，有從事土木工程的工程技術人員、工程管理人員、研究人員和教師等。土木工程教育土木工程教育 為培養(yǎng)土木工程所需的各類人員，世界各國在大學本科教學中都設立土木工程專業(yè)。l世界上最早培養(yǎng)土木工程師的大學是1747年法國創(chuàng)辦的巴黎路橋學

3、校l我國土木工程教育事業(yè)最早出現在1895年創(chuàng)辦的北洋西學學堂（后稱北洋大學，今天津大學）l經過一個多世紀，特別是經歷改革開放三十多年迅速發(fā)展，我國目前已有300多所高等院校開設土木工程本科專業(yè)，培養(yǎng)能從事土木工程設計、施工、管理、咨詢、監(jiān)理等方面工作的專業(yè)技術人員1.2 1.2 土木工程發(fā)展歷史簡述土木工程發(fā)展歷史簡述 土木工程按照建造材料、建造理論和建造技術出現根本性的突破，可將土木工程的發(fā)展劃分為古代、近代和現代三個階段。l古代土木工程 舊石器時代17世紀，主要采用天然材料，建造主要依賴經驗l近代土木工程 17世紀二次世界大戰(zhàn)，逐步形成力學計算和設計完整體系，將鋼和混凝土材料應用于工程建

4、造l現代土木工程 二次世界大戰(zhàn)后現今，以現代科學技術推動了土木工程的現代化古代土木工程古代土木工程圖11 北京故宮圖1.3 都江堰水利工程圖1.4 山西應縣木塔 圖1.6 埃及的金字塔和獅身人面像1.2.2 1.2.2 近代土木工程近代土木工程l在工程設計理論方面，從17世紀開始，以伽利略和牛頓為先導的近代力學同土木工程實踐結合起來，逐漸形成材料力學、結構力學、流體力學、巖體力學。設計理論方面，法國的納維于1825年建立了土木工程中結構設計的容許應力法l在工程材料方面，1824年波特蘭水泥的發(fā)明、1859年轉爐煉鋼法的成功及1867年鋼筋混凝土開始應用是土木工程史上的重大事件l 在建造技術方面

5、，打樁機、壓路機、挖土機、掘進機、起重機、吊裝機等紛紛出現，這為快速高效的建造各類土木工程設施提供了有力手段圖1.7 帝國大廈 圖1.8 艾菲爾鐵塔近代土木工程近代土木工程圖1.9 蘇伊士運河 圖1.10 金門大橋1.2.3 1.2.3 現代土木工程現代土木工程 第二次世界大戰(zhàn)以后，以現代科學技術為后盾的土木工程新時代：l在建造材料方面，隨著化學工業(yè)和冶金技術的不斷發(fā)展，高性能鋼材和高性能混凝土廣泛應用，新型材料不斷出現。l在結構設計理論方面，考慮材料非線性和幾何非線性。設計理論進入基于概率理論的可靠度設計方法。結構設計更為自由，一些新穎的結構如任意曲面形式的網殼結構、各種類型的斜拉橋等都不斷

6、涌現。l 在建造技術方面，在機械、電子、信息技術發(fā)展帶動下，建造技術由單一使用機械發(fā)展到機電計算機的一體化。對于復雜的工程，實現了全過程的自動監(jiān)控和計算機控制，使施工精度、施工質量大大提高，施工進度大大加快。圖1.11 建成的迪拜哈利法塔圖1.15 廣州電視大廈圖1.12 蘇通長江大橋圖1.13 秦嶺終南山公路隧道圖1.14 長江三峽工程1.3 1.3 土木工程的展望土木工程的展望 土木工程是一門古老的學科，取得了巨大的成就。但傳統(tǒng)土木工程的高速發(fā)展是建立在高耗能、高污染的基礎上，這種發(fā)展難以維系?？茖W技術突飛猛進，新材料、新結構體系、新建造技術層出不窮，為新世紀土木工程的發(fā)展提供了機遇，土木

7、工程必須采用高新技術，走可持續(xù)發(fā)展之路。1.3.1 1.3.1 工程材料發(fā)展展望工程材料發(fā)展展望（1）建造材料將大力開展“綠色建材”的研制。采用工業(yè)廢料制作綠色高性能混凝土將受到廣泛研究和應用。另一方面將已在航空、航天、軍工中廣泛應用的智能材料將應用于土木工程。（2）化學合成材料化學合成材料的應用。目前的化學合成材料主要用于門窗、管材、裝飾材料，今后的發(fā)展方向是向大面積圍護材料及結構骨架材料發(fā)展。1.3.2 1.3.2 建造理論發(fā)展展望建造理論發(fā)展展望 l 土木工程的計算機仿真分析和虛擬技術的應用將是今后需要重點研究和加以應用的課題。許多工程結構是毀于臺風、地震、火災、洪水等災害作用。在這種小

8、概率、大荷載作用下，工程結構性能很難一一去做實驗驗證。用此技術指導設計可大大提高工程結構的可靠性。未來的土木工程可能不僅可以抗震、抗風，甚至可以抗爆、抗海嘯、防火、防撞、防輻射等。l開展各種災害作用的研究。近年來，由于災害的頻繁發(fā)生，如何保證結構的抗災性能已成為結構發(fā)展的重要課題。對影響工程結構安全性的災害形成機理和變化情況進行研究，確保土木工程的抗災、防災能力是未來土木工程的重要課題。1.3.3 1.3.3 建造技術發(fā)展展望建造技術發(fā)展展望 l信息化施工信息化施工: :在施工過程中所涉及的各部分、各階段廣泛應用計算機信息技術，對工期、人力、材料、機械、資金、進度等信息進行收集、存儲、處理和交

9、流，并加以科學地綜合利用，為施工管理及時、準確地提供決策依據。l智能化建筑智能化建筑:將建筑、通信、計算機網絡和監(jiān)控等各方面的先進技術相互融合、集成為最優(yōu)化的整體，能夠適應信息化社會發(fā)展需要的現代化新型建筑。智能化建筑為客戶提供高效、節(jié)能、便捷、安全、舒適、環(huán)保、健康的建筑環(huán)境。 l智能化交通智能化交通:應具有信息收集，快速處理，優(yōu)化決策，大型可視化系統(tǒng)等功能，能提高公路交通的安全性。1.3.4 1.3.4 土木工程建造場所的拓展土木工程建造場所的拓展 今后土木工程的建造必將從地球表面向其他方面拓展。l向高空拓展向高空拓展 探索向超高空拓展，可能出現超過1000米的高層建筑l向地下拓展向地下拓

10、展 一切可能把可轉入地下的設施轉入地下，并向深層發(fā)展l向海洋拓展向海洋拓展 海洋土木工程的興建，不僅可解決陸地土地少的矛盾，同時也將對海底油、氣資源及礦物的開發(fā)提供立足之地l 向荒漠拓展向荒漠拓展 沙漠的改造利用不僅增加了有效土地利用面積，同時還改善了全球生態(tài)環(huán)境1.4 1.4 土木工程專業(yè)的學習建議土木工程專業(yè)的學習建議1.4.1 1.4.1 科學、技術與工程的關系科學、技術與工程的關系l科學是關于事物的基本原理和事實的有組織、有系統(tǒng)的知識。它解決一個“為什么”的問題。例如，解釋電燈為什么會亮。l技術則是指將科學研究所發(fā)現或傳統(tǒng)經驗所證明的規(guī)律轉化成為各種生產工藝、作業(yè)方法、設備裝置等，它解

11、決一個如何實現的問題，如怎樣使電燈發(fā)亮。技術的主要任務是為生產某種滿足人類需要的產品而服務。l工程的含義則更為廣泛，它是指自然科學或各種專門技術應用到生產部門中而形成的各種學科的總稱，其目的在于利用和改造自然來為人類服務。工程不僅與科學和技術有關，而且受到經濟、政治、法律、美學等多方面的影響工程不僅與科學和技術有關，而且受到經濟、政治、法律、美學等多方面的影響工程是科學技術的應用與社會、經濟、法律、人文等因素結合的一個綜合實踐過工程是科學技術的應用與社會、經濟、法律、人文等因素結合的一個綜合實踐過程，對于選擇了工科（包括土木工程專業(yè)）的學生來講，必須非常重視這一點。程，對于選擇了工科（包括土木

12、工程專業(yè)）的學生來講，必須非常重視這一點。1.4.21.4.2卓越工程師培養(yǎng)計劃卓越工程師培養(yǎng)計劃 “卓越工程師教育培養(yǎng)計劃卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（簡稱“卓越計劃”）l旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應經濟社會發(fā)展需要的高質量各類型工程技術人才l促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措l旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應經濟社會發(fā)展需要的高質量各類型工程技術人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務，全面提高工程教育人才培養(yǎng)質量具有十分重要的示范和引導作用l目前我國工科教育存在重知識傳授，輕能力培養(yǎng)，學生實踐及實際工作能力不強的情況l卓越工程師計劃：活學活用、

13、以學分+技能+思維技巧+解決問題的能力等綜合因素評價學生的優(yōu)劣、推行以用為主的學用結合、腦與手與身與五官的綜合結合、鼓勵發(fā)散思維及冒險精神、重點培養(yǎng)學生獨立思考和獨立解決問題的綜合能力 卓越工程師培養(yǎng)計劃遵循“行業(yè)指導、校企合作、分類實施、形式多樣”的原則，參與卓越計劃的高校和企業(yè)通過校企合作途徑聯合培養(yǎng)人才。1.4.3 1.4.3 土木工程專業(yè)卓越工程師的知識、能力和素質要求土木工程專業(yè)卓越工程師的知識、能力和素質要求 1. 1. 土木工程專業(yè)的培養(yǎng)目標土木工程專業(yè)的培養(yǎng)目標 我國高等院校土木工程專業(yè)的培養(yǎng)目標是：培養(yǎng)適應社會主義現代化建設需要，德智體全面發(fā)展、掌握土木工程學科的基本理論和基

14、本知識，獲得土木工程工程師基本訓練，具有創(chuàng)新精神的高級工程科學技術人才，畢業(yè)后能從事土木工程設計、施工與管理工作，具有初步的工程規(guī)劃與研究開發(fā)的能力。 確定土木工程專業(yè)卓越工程師培養(yǎng)目標，一方面是根據教育部的相關要求，注重提高學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力，強調學生自我獲取知識的能力、創(chuàng)新意識等方面能力培養(yǎng)；另一方面結合學校自身學科特色、人才培養(yǎng)經驗以及國際化趨勢，如同濟大學對土木工程卓越工程師提出“具有繼續(xù)學習能力、創(chuàng)新能力、國際視野和領導意識的卓越人才”的培養(yǎng)目標。 2. 2. 土木工程專業(yè)的知識結構土木工程專業(yè)的知識結構 土木工程專業(yè)卓越工程師培養(yǎng)的目標是培養(yǎng)高素質的土木工程師，

15、應具有科學、工程和人文三方面的綜合素質，在“知識、能力、素質”方面達到一定要求。專業(yè)知識結構的具體組成可分為三個階段：l公共基礎知識 作為接受高等教育的學生提高自身修養(yǎng)的課程，主要在12年級，不同專業(yè)差別不大l專業(yè)基礎知識 為工科專業(yè)學習掌握的數學、力學等方面的基本知識，主要在23年級l專業(yè)知識及相關專業(yè)知識 為構建專業(yè)知識體系和培養(yǎng)專業(yè)能力服務主要在34年級，體現專業(yè)特色 （1 1）公共基礎知識階段）公共基礎知識階段 這一階段的內容是根據作為一個工程師所必須掌握的知識而安排人文與社會科學知識人文與社會科學知識 具有寬泛的人文社會科學知識，主要包括：哲學、歷史、社會學及公共關系學等領域的社會科

16、學知識；政治、經濟學、法律法規(guī)等方面的公共政策和管理知識；風險管理、環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展方面的知識?；镜淖匀豢茖W基礎知識基本的自然科學基礎知識 具有基本的自然科學基礎知識，主要包括：數學知識、計算機語言、了解現代物理、化學、信息科學、環(huán)境科學的基本知識和一定的經濟管理知識；重大科技發(fā)展動態(tài)：了解當代科學發(fā)展情況。工具性知識工具性知識 掌握基本的工具性知識，主要包括：外語語言：文獻與信息：計算機應用等現代基本工具。學習要求學習要求: : l掌握高等數學和土木工程專業(yè)所必需的工程數學l掌握普通物理的基本理論l掌握與土木工程專業(yè)有關的化學原理和分析方法l了解現代物理、現代化學的基本知識l了解信息科

17、學、環(huán)境科學的基本知識l了解當代科學技術發(fā)展的其他主要方面和應用前景，掌握一門計 算機程序語言 這一階段由高中學習階段向大學學習階段的過渡。大學以講授原理為主。應用和練習較少，且進度較快，同時課余時間較多，注意培養(yǎng)自學能力。在第一階段順利適應大學的學習方法，對于今后學習能力的提高將起到十分重要的作用，會終身受益的。 （2 2）專業(yè)基礎知識階段）專業(yè)基礎知識階段 專業(yè)基礎知識階段按土木工程專業(yè)業(yè)務范圍的需要，可分為幾個不同的內容，包括工程數學、工程力學、結構工程學、巖土工程學和流體力學等學科，以及從事土木工程設計、施工、管理所必需的專業(yè)基礎知識。 主要課程：線性代數、概率論與數理統(tǒng)計、數值計算、

18、理論力學，材料力學、結構力學、流體力學、彈性力學、土力學與工程地質學、土木工程材料、畫法幾何、工程制圖與計算機繪圖、工程測量、荷載與結構設計方法、混凝土結構基本理論、鋼結構基本理論、土木工程施工、工程管理與概預算等。 學習要求：l要求掌握工程力學學科包括理論力學、材料力學、結構力學的基本原理和分析方法l掌握巖土工程學學科包括工程地質和土力學或巖土力學的基本原理和實驗方法l掌握結構工程學主要是結構構件的力學性能計算原理和一般的基礎設計原理；l掌握相關學科包括土木工程材料的基本性能和適用條件、工程測量的基本原理和方法、畫法幾何基本原理、土木工程施工與組織的一般過程等 （3 3）專業(yè)知識階段）專業(yè)知

19、識階段 這一階段的內容是通過對具體工程對象的分析，達到了解一般土木工程項目的設計、施工等基本過程，學會應用由專業(yè)基礎知識階段學得的基本理論，較深入地掌握專業(yè)技能，建立初步工程經驗的目的，以適應當前用人單位對本科人才基本能力的一般要求。 由于土木工程涵蓋的具體工程對象類別繁多，如房屋建筑、道路、橋梁、隧道、機場工程、港口、海洋工程等，在設計和施工方法上都有差別，在大學階段不可能也沒有必要對每一種工程對象都要詳細學習。學校對第三階段即專業(yè)知識階段可根據各自的特點進行安排。專業(yè)相關知識l工程項目評價：熟悉土木工程項目評價方法及其與環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展等方面的方針、政策、法律和法規(guī)，能正確認識工程對客

20、觀世界和社會的影響。l相關專業(yè)法律、法規(guī)：了解與本專業(yè)相關的職業(yè)和行業(yè)的生產、設計、研究與開發(fā)的法律、法規(guī)和規(guī)范l相關專業(yè)基本知識：了解建筑、城市規(guī)劃、房地產、給排水、供熱通風與空調、建筑電氣等建筑設備、土木工程機械及交通工程、土木工程與環(huán)境的基本知識。l國際工程承包：了解國際工程承包的基本知識l專業(yè)發(fā)展動態(tài)：了解本專業(yè)的前沿發(fā)展現狀和趨勢。學習要求l掌握土木工程項目的勘察、規(guī)劃、選線與選型、構造的基本知識l掌握土木工程結構的設計方法、CAD和其他軟件的應用、土木工程基礎設計方法l了解地基處理的基本方法l掌握土木工程現代施工技術、工程檢測與試驗的基本方法l了解土木工程防災與減災的基本原理及一般

21、設計方法l了解本專業(yè)的有關法規(guī)、規(guī)范與規(guī)程以及本專業(yè)的發(fā)展動態(tài)等 專業(yè)知識階段一般安排在三、四年級，相關專業(yè)知識的學習則貫穿整個大學學習階段。 3. 3. 土木工程卓越工程師專業(yè)能力培養(yǎng)土木工程卓越工程師專業(yè)能力培養(yǎng) 在土木工程學科的系統(tǒng)學習中，不僅要注意知識的積累，更應注意能力的培養(yǎng)： （1 1）自學能力）自學能力 樹立終身學習的觀念，培養(yǎng)自己通過自學獲得知識的能力。自學能力是高級專門人才賴以持續(xù)發(fā)展和不斷提高的一種能力，因此也是大學生最根本和最重要的能力。 （2 2）工程能力）工程能力 工程能力就是土木工程技術人員在從事土木工程工作時應用工程技術知識和技能的能力。土木工程卓越工程師顯著特點

22、就是具有良好的工程能力。 （3 3）協(xié)調、管理能力）協(xié)調、管理能力 作為土木工程專業(yè)高級技術人員應注重培養(yǎng)自己的協(xié)調、管理能力。在工作中一定要處理好上下左右的關系，使上級對你的工作“放心”；對同事，既競爭又友好，對下級要既要求嚴格，又體貼關懷；并且要具有團隊意識。1.4.4 1.4.4 土木工程專業(yè)的主要教學方法及學習建議土木工程專業(yè)的主要教學方法及學習建議 大學的教學和訓練與中學相比要多樣化一些，主要的教學形式有課堂教學，實驗課，設計訓練和施工實習。下面就這幾個環(huán)節(jié)作簡要介紹。 1. 1. 課堂教學課堂教學 課堂教學是學校學習的主要形式。不少進入大學新生有不適應的情況。l高中課堂學習 按照考

23、試要求實行題海戰(zhàn)術，靠大量重復性訓練使學生掌握考試內容，注重學生考試能力培養(yǎng)，學生自主性很小l大學課堂學習 講授原理，進度較快，課余時間多，注重學生自學能力培養(yǎng) 聽課堂教學時，要注意記住老師講授的思路、重點、難點和主要結論。積極參加課堂討論，同學們一定要積極思考，主動參加討論，這不僅能鞏固和加深所學知識也是對表達能力的一種訓練。 課堂教學后，要復習鞏固，整理筆記，做到能用自己的語言表達所學內容。對于不懂的問題不要放過，可獨立思考，也可與同學切磋，再不懂時，可記下來，適當的時候找老師答疑討論。 2. 2. 實驗教學實驗教學 通過實驗手段掌握實驗技術，弄懂科學原理。實驗教學學習基本理論的需要，同時也是同學們熟悉國家有關試驗、檢測規(guī)程，熟悉實驗方法及學習撰寫試驗報告的需要，學校鼓勵學生自主設計、規(guī)劃試驗。國家為培養(yǎng)本科生用實驗方法解決問題能力，進行了大學生創(chuàng)新實驗項目計劃，鼓勵學有余力的同學在本科階段從事初步的研究工作