第一課

土木工程學土木工程學作為最老的工程技術學科，是指規(guī)劃，設計，施工及對建筑環(huán)

境的管理。此處的環(huán)境涉及建筑符合科學規(guī)范的所有結構，從灌溉和排水系統(tǒng)到火箭發(fā)射

設施。

土木工程師建造道路：橋梁，管道，大壩，海港，發(fā)電廠，給排水系統(tǒng)，醫(yī)院，學校，

公共交通和其他現(xiàn)代社會和大量人口集中地區(qū)的基礎公共設施。他們也建造私有設施，比如

飛機場，鐵路，管線，摩天大樓，以及其他設計用作工業(yè)，商業(yè)和住宅途徑的大型結構。此

外，土木工程師還規(guī)劃設計及建造完整的城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)，并且最近一直在規(guī)劃設計容納設施

齊全的社區(qū)的空間平臺。

土木一詞來源于拉丁文詞“公民”。在1782年，英國人JohnSmeaton為了把他的非

軍事工程工作區(qū)別于當時占優(yōu)勢地位的軍事工程師的工作而采用的名詞。自從那時起，土木

工程學被用「提及從事公共設施建設的工程師，盡管其包含的領域更為廣闊。

領域。由于包含范圍太廣，土木工程學又被細分為大量的技術專業(yè)。不同類型的工程

需要多種不同土木工程專業(yè)技術。一個項目開始的時候，土木工程師要對場地進行測繪，

定位有用的布置，如地下水水位，下水道，和電力線。巖土工程專家則進行土力學實驗以

擬定土壤能否承受工程荷載。環(huán)境工程專家研究工程對本地的影響，涉及對空氣和地下水

的也許污染，對本地動植物生活的影響，以及如何讓工程設計滿足政府針對環(huán)境保護的需

要。交通工程專家擬定必需的不同種類設施以減輕由整個工程導致的對本地公路和其他交

通網絡的承擔。同時，結構工程專家運用初步數據對工程作具體規(guī)劃，設計和說明。從項

目開始到結束，對這些土木工程專家的工作進行監(jiān)督和調配的則是施工管理專家。根據其

他專家所提供的信息，施工管理專家計算材料和人工的數量和花費，所有工作的進度表,

訂購工作所需要的材料和設備，雇傭承包商和分包商，還要做些額外的監(jiān)督工作以保證工

程能準時按質完畢。

貫穿任何給定項目，土木工程師都需要大量使用計算機。計算機用于設計工程中使用的

多數元件（即計算機輔助設計，或者CAD）并對其進行管理。計算機成為了現(xiàn)代土木工程師

的必備品，由于它使得工程師能有效地掌控所需的大量數據從而擬定建造一項工程的最佳

方法。

結構工程學。在這一專業(yè)領域，土木工程師規(guī)劃設計各種類型的結構，涉及橋梁，大

壩，發(fā)電廠，設備支撐，海面上的特殊結構，美國太空計劃，發(fā)射塔，龐大的天文和無線

電望遠鏡，以及許多其他種類的項目。結構工程師應用計算機擬定一個結構必須承受的力:

自重，風荷載和颶風荷載，建筑材料溫度變化引起的脹縮，以及地震荷載。他們也需擬定

不同種材料如鋼筋，混凝土，塑料，石頭，瀝青，磚，鋁或其他建筑材料等的復合作用。

水利工程學。土木工程師在這一領域重要解決水的物理控制方面的種種問題。他們的

項目用于幫助防止洪水災害，提供城市用水和灌溉用水，管理控制河流和水流物，維護河

灘及其他濱水設施。此外，他們設計和維護海港，運河與水閘，建造大型水利大壩與小型

壩，以及各種類型的圍堰，幫助設計海上結構并且擬定堵構的位置對航行影響。

巖土工程學。專業(yè)于這個領域的土木工程師對支撐結構并影響結構行為的土壤和巖石

的特性進行分析。他們計算建筑和其他結構由于自重壓力也許引起的沉降，并采用措施使

之減少到最小。他們也需計算并擬定如何加強斜坡和填充物的穩(wěn)定性以及如何保護結構免

受地震和地下水的影響。

環(huán)境工程學。在這一工程學分支中，土木工程師設計，建造并監(jiān)視系統(tǒng)以提供安全的

飲用水，同時防止和控制地表和地下水資源供應的污染。他們也設計，建造并監(jiān)視工程以

控制甚至消除對土地和空氣的污染。他們建造供水和廢水解決廠，設計空氣凈化器和其他

設備以最小化甚至消除由工業(yè)加工、焚化及其他產煙生產活動引起的空氣污染。他們也采

用建造特殊傾倒地點或使用有毒有害物中和劑的措施來控制有毒有害廢棄物。此外，工程

師還對垃圾掩埋進行設計和管理以防止其對周邊環(huán)境導致污染。

交通工程學。從事這一專業(yè)領域的土木工程師建造可以保證人和貨品安全高效運營的

設施。他們專門研究各種類型運送設施的設計和維護，如公路和街道，公共交通系統(tǒng)，鐵

路和飛機場，港口和海港。交通工程師應用技術知識及考慮經濟，政治和社會因素來設計

每一個項目。他們的工作和城市規(guī)劃者十分相似，由于交通運送系統(tǒng)的質量直接關系到社

區(qū)的質量。

渠道工程學。在土木工程學的這一支鏈中，土木工程師建造渠道和運送從煤泥漿（混合

的煤和水）和半流體廢污，到水、石油和多種類型的高度可燃和不可燃的氣體中分離出來的

液體，氣體和固體的相關設備。工程師決定渠道的設計，項目所處地區(qū)必須考慮到的經濟

性和環(huán)境因素，以及所使用材料的類型——鋼、混凝土、塑料、或多種材料的復合一一的

安裝技術，測試渠道強度的方法，和控制所運送流體材料保持適當的壓力和流速。當流體

中攜帶危險材料時，安全性因素也需要被考慮。

建筑工程學。土木工程師在這個領域中從開始到結束監(jiān)督項目的建筑。他們，有時被

稱為項目工程師，應用技術和管理技能，涉及建筑工藝，規(guī)劃，組織，財務，和操作項目

建設的知識。事實上，他們協(xié)調工程中每個人的活動：測量員，布置和建造臨時道路和斜

坡，開挖基礎，支模板和澆注混凝土的工人，以及鋼筋工人。這些工程師也向結構的業(yè)主

提供進度計劃報告。

社區(qū)和城市規(guī)劃。從事土木工程這一方面的工程師也許規(guī)劃和發(fā)展一個城市中的社區(qū)，

或整個城市。此規(guī)劃中所涉及的遠遠不僅僅為工程因素，土地的開發(fā)使用和自然資源環(huán)境

的，社會的和經濟的因素也是重要的成分。這些土木工程師對公共建設工程的規(guī)劃和私人

建筑的發(fā)展進行協(xié)調。他們評估所需的設施，涉及街道，公路，公共運送系統(tǒng)，機場，港

口，給排水和污水解決系統(tǒng)，公共建筑，公園，和娛樂及其他設施以保證社會，經濟和環(huán)

境地協(xié)調發(fā)展。

攝影測量，測量學和地圖繪制。在這一專業(yè)領域的土木工程師精確測量地球表面以獲

得可靠的信息來定位和設計工程項目。這一方面涉及高工藝學方法，如衛(wèi)星成相，航拍，

和計算機成相。來自人造衛(wèi)星的無線電信號，通過激光和音波杜掃描被轉換為地圖，為隧

道鉆孔，建造高速公路和大壩，繪制洪水控制和灌溉方案，定位也許影響建筑項目的地下

巖石構成，以及許多其他建筑用途提供更精確的測量。

其他的專門項目。尚有兩個并不完全在土木工程范圍里面但對訓練相稱重要的附加的專

門項目是工程管理和工程教學。

工程管理。許多土木工程師都選擇最終通向管理的職業(yè)。其他則能讓他們的事業(yè)從管

理位置開始。土木工程管理者結合技術上的知識和一種組織能力來協(xié)調勞動力，材料，機

械和錢。這些工程師也許工作在政府一一市政、國家、州或聯(lián)邦；在美國陸軍軍團作為軍

隊或平民的管理工程師；或在半自治地區(qū)，城市主管當局或相似的組織。他們也也許管理

規(guī)模為從幾個到百個雇員的私營工程公司。

工程教學。通常選擇教學事業(yè)的土木工程師專家研究生和本科生技術上的專門項目。許多

從事教學的土木工程師參與會導致建筑材料和施工方法技術革新的基礎研究。多數也擔任

工程項目或技術領域的顧問，和重要項目的代理。

第二課建筑物與建筑學

建筑物的目的是給人類的活動提供一個遮風擋雨的地方。從穴居時代到現(xiàn)在，人類的第

一需要最基本的就是有一個可以遮風避雨之所。在一個比較i般的感覺中，建筑物的藝術包

含人類試圖控制環(huán)境和直接自然力以滿足需要所取得的所有成就。除建筑物外，這種藝術還

涉及大壩，運河，隧道，溝渠和橋。

遮風避雨的建筑物的設計和其他功用的土木工程結構的設計的科學基礎原理是相同的。

而只是由于現(xiàn)代社會特定的需要，這兩個領域才沿著不同的途徑發(fā)展。相似的，關注作為遮

風避雨的建筑物的重要營造者也不再是一個單獨的個體；相反的是由多個專家組成的小組：

規(guī)劃師，建筑師，工程師和建造者。一個現(xiàn)代建筑物的實現(xiàn)依賴這個小組集體的智慧。

建筑物的結構是建筑物的功能、環(huán)境及各種社會經濟因素共同作用的產物。公寓，辦公

大樓和學校的不同在于它們實現(xiàn)的功能不同。公寓的每一個可居住空間如起居室和臥室必須

有來自窗戶的自然光，而浴室和廚房可以采用人造光源因而可以安排在建筑物內部。這種必

要的設立對公寓的進深必然有限制。另一方面，對辦公大樓而言，人造光源更能達成均勻照

明的規(guī)定，因此，對自然光的需求不再有建筑物進深的限制。

環(huán)境也許影響到建筑物的形狀和外觀。城市里的學校通過使用空白的圍墻完全的封閉于

城市之外，而鄉(xiāng)村的學校也許發(fā)展成為景觀的一個重要部分，即使兩者實現(xiàn)同樣的功能。

最后，建筑物的結構被各種社會經濟因素影響，涉及地價，租賃，工程預算，分區(qū)限

制。城市的高地價導致高層建筑物，而鄉(xiāng)村的低地價導致低的建筑物。富人的住房建筑計劃

不同于便宜的住房建筑計劃。有威望的辦公大樓的預算將大大地超過其他的辦公大樓。建筑

物的大小和外形也許受到分區(qū)的限制。在所有這些例子中，有著相似功能的建筑物經常采用

不同的結構。

建筑學是建筑物的藝術。事實上所有的建筑學都是關于為了人類的使用而圍住的空間。

在任何特殊的建筑物中所覆蓋的精確活動一一廣泛到從工廠的一條裝配線到一個家庭的起

居室一一應當規(guī)定幾個內部區(qū)域的大小和形狀。這些空間也必須被安排在彼此合乎一定邏輯

的關系中。此外，在建筑物中的人類活動一一建筑學中的說法是“流通”一一需要大廳，樓

梯和電梯，它們的尺寸受到預期荷載的支配。建筑物的結構平面圖，總是建筑師的第一考慮,

是進一步實現(xiàn)建筑物意圖的空間組織中的這些不同目的的決定。好的平面組織可以指引訪客

到達他們的在建筑物中的目的地并且使他們留卜印象。他們也許是卜意識地被大廈很顯然的

各個單元的關聯(lián)所指引。相反地，不好的平面組織將帶來不便，浪費和視覺混亂。

此外，一個結構需要很好地被建造。它應當有結構需要的和被選材料允許的耐久性。建

筑學的未經加工的材料，如石，磚，木，鋼或玻璃，部分決定了建筑物的結構并對建筑物

進行表達。石能抵抗壓縮，盡管一起壓擠的力幾乎是不能擬定的。在一個實驗室里壓碎石

是也許，但是對于實際應用，它的抗壓強度則是無限的，另一方面，石在抵抗各向拉力方面

是很弱的。任何空間跨度的梁在支承之間容易向下彎曲，梁的下半區(qū)承受拉力。由于石承受

拉力的能力很弱，這種材料的梁相對地比較短，并且支撐間距比較小。此外，石柱必須堅固，

其高寬比很少超過10o在石類建筑中，門，窗及柱之間的空間幾乎都被迫高大于寬，這源

于石的垂直矩形美學。石在西方世界建筑學中占有如此之高的統(tǒng)治地位，以致，即使在木結

構建筑時期其適當的造型一直被妥善保護著，像在美國的喬治王時代。然后，石借助它自身

的構造類型，成為支撐樓板和屋頂的墻，成為承重結構中的密排柱，成為重要承受壓力的

拱形結構。

木是一種纖維材料，相比其抵抗壓力的能力而言，宜更易于抵抗拉力。木制梁也許相對

比石制梁長，并且木制柱較細且可以廣泛地作一定間隔的排列。由于木的自然性質常形成寬

敞于高的水平矩形，這在口本建筑學中常被見到。鋼的抗拉強度也等于或大于其抗壓強度。

已經觀測過鋼結構建筑物建筑過程的任何人一定曾注意到由細的廣泛地作一定間距排列的

柱及每個樓板的長梁所組成的水平格狀矩形。木和鋼的性質意味著框架結構一一一個支撐樓

板和屋頂的骨架一一任何的鋪面材料都也許是必需的。木和鋼也準許懸臂結構，在這種結構

中，梁的投影超過支承的最后一個測點。

最后，建筑學不僅必須超過符合強度和空間的實際需要，它也一定要使人得到精神滿

足。建筑物應當使每一個零部件形成一個美學的統(tǒng)一體。因此，結構的側面和背面應當與正

面具有足夠的一致性，可以使所有相關部提成為一個獨立的整體。同樣地，大部分的內部分

區(qū)也需要在外部設計上有所表現(xiàn)。正殿，甬道，袖廊，半圓形壁龕，并且輻射哥德式大教堂

的小禮拜堂，舉例來說，所有是在外部上看得見的，所以訪客在潛在意識里意識到他們將在

里面找到什么。

建筑規(guī)定有恰當的比例，即令人快樂的虛與實、高與寬、長與寬的關系。人類已經作過

許多嘗試用數學公式來解釋好多比例，如黃金分割。然而，這些努力并沒有被廣泛接受，盡

管在設計各處透過一些尺寸（舉例來說，一個模數是一個柱的直徑一半）的復測法已經收到

很好的結果。這種復測法幫助提出了人類思想渴望的可視規(guī)則。

一個建筑物還應當有建筑師稱作的比例尺，它應當能在視覺上傳達它的真實尺寸。如長

椅、臺階或樓梯欄桿等元素，盡管由于它們特別的因素在大小方面有些微可變，但仍然與人

類的正常尺度有關。

它們因此也幾乎不可察覺地成為精確計量整個大廈尺度的測量單位。因這些單位對整個

建筑物而言太小，所以還需要其他中間尺度的元素。樓梯和一個樓梯欄桿也許給門口的尺寸

一個提醒，依次是柱廊的高度，最后是整個的結構廊。凡爾賽的PetitTrianon在比例尺方

面相稱完美。羅馬的圣彼得堡由于缺少小元素而讓人很難感知它的巨大。

雖然全裝飾在一些現(xiàn)代的建筑中被拒絕，但它過去由于固有的美或為了強調建筑物的一些

重點而常被采用。裝飾品也許用于突出建筑物的特性和建筑物目的的可視化表現(xiàn)。因此，一

個銀行要看起來像銀行，一個教堂也應當同樣地可以被立刻確認。抱負地，任何建筑物應當

通過與它建筑上的鄰居的一些關系和地方地理學上看起來屬于它的位置。

通過建筑學目的的成型，再受材料、比例和設計者給定的比例尺和特性支配，建筑物成為建

造它們的時代的抱負的表達和熱望。歷史性建筑學的連續(xù)性式樣是他們的時代精神的化身。

第三課建筑物的組成

材料和不同的結構形式聯(lián)合組成建筑物的各種不同部分，涉及承重框架，外殼，樓板

和隔墻。建筑物也有像升降機，供暖和冷卻，照明這樣的與機械和電力有關的系統(tǒng)。上部結

構是建筑物地面以上的部分，而下部結構和基礎則是建筑物地面以下的部分。

摩天大樓的出現(xiàn)得益于19世紀的兩大發(fā)展：鋼骨架結構和旅客升降機。鋼，作為一種

建筑材料，源于1885年貝色麥轉爐的引入。GustaveEiffel（1832-1932）將鋼結構引入法

國。1889年巴黎展覽會的塔和他為Galeriedes機械的設計表現(xiàn)了鋼結構的靈活性。艾菲

爾鐵塔高984英尺（300米），是人類建造的最高的結構，直到40年后才被美國一系列的

摩天大樓超越。

第一個升降機是在1857年被ElishaOtis安裝于紐約的一幢百貨公司。在1889年，

Eiffel在艾菲爾鐵塔上安裝了第一個大尺寸的升降機，它的水力升降機能在一個小時內運

送2350個旅客到達頂點。

承重框架。直到19世紀晚期，建筑物外墻被用作支承樓板的承重墻。這種結構本質上

一種梁柱模型，并且仍然被用于房屋框架結構。

承重墻結構由于需要巨大的墻厚而限制了建筑物的高度。例如，芝加哥建于19世紀80

年代16層的Uonadnock大廈，較下層的樓板下的墻厚達5英尺（1.5米）。在1883年，

WilliamLeBaronJenney（1832T907）采用鑄鐵柱支撐樓板的方式以形成籠狀結構。由鋼

梁和鋼柱組成的骨架構造最早用于1889年。由于骨架構造，圍墻變成一個“幕墻”，勝于

起支撐作用。磚石一直被用作幕墻材料，直到20世紀30年代，輕金屬和玻璃幕墻開始被使

用。在鋼結構引入后，建筑物的高度連續(xù)快速地增長。

在二次世界大戰(zhàn)前，所有的高層建筑都是采用鋼結構。戰(zhàn)后，鋼材的短缺和混凝土質量

的改良導致鋼筋混凝土高層建筑的出現(xiàn)。芝加哥的Marina塔（1962）是美國最高的混凝土建

筑。它的高度達588英尺（179米），被倫敦的高達65（）英尺（198米）的郵政大廈和其他塔

式建筑所超越。

關于摩天大樓構造觀點的轉變恢復了承重墻的使用，在紐約城由EeroSaarinen于1962

年設計的哥倫比亞廣播系統(tǒng)大樓，有一個由5英尺（1.5米）寬，相鄰柱的中心距為10英

尺（3米）的混凝土柱組成的環(huán)形墻。這個環(huán)形墻事實上有效地組成了一個承重墻。產生這

種趨向的一個理由是，采用建筑物的墻壁作為一個筒體，可以非常經濟地獲得起到抗風作

用的足夠硬度。世界貿易大廈是這種筒體方法的另一個例證。相反地，剛性框架或垂直的桁

架通常被用于提供側向穩(wěn)定性。

外殼。建筑物的外殼由透明元素（窗）和不透明元素（墻）所組成。盡管塑料正在被

使用，窗傳統(tǒng)上還是使用玻璃，特別是在學校，破損產生了一個維護問題。用于覆蓋結構

并由結構支撐的墻元素由多種材料建造：磚，預制構件，混凝土，石，不透明玻璃，塑料,

鋼和鋁。木重要被用于房屋建筑，由于有火災的危險，它通常不用于商業(yè)，工業(yè)和公用建

筑。

樓板。建筑物中樓板的構造依賴于所使用的基本結構框架。在鋼結構中，樓板或是擱

置在鋼梁上的混凝土板，或是表面附有混凝土的波狀鋼組成的凹板。在混凝土結構中，樓

板或是擱置在混凝土梁上的混凝土板，或是一系列頂端有一個薄板雙向都近距離排列的混

凝土梁，在其下部提供了一個多余的空間。這種類型的板的使用依賴于支撐柱或墻間的跨

度和空間的功能。例如，在公寓中，當墻和柱的間距在12英尺到18英尺（3.7米到5.5米），

最常用的結構是無梁的實心混凝土板。這種板的下部可以用作其下層空間的天花板。辦公

大樓中常使用波紋鋼樓板，這是由于波紋鋼樓板的波紋當由另一塊金屬板蓋上時，可以形

成電話線和電線通道。

機械和電力系統(tǒng)。一個現(xiàn)代建筑不僅涉及它所需要的空間（辦公室，教室，公寓），還

涉及幫助提供舒適環(huán)境的機械與電力系統(tǒng)的輔助空間。在摩天辦公大樓中，這些輔助空間

也許構成總建筑面積的25%。在辦公大樓中，供暖，通風，電力和衛(wèi)生管道系統(tǒng)的重要性體

現(xiàn)在工程預算的40%被分派給它們。由于使用帶有不能開窗的密封性建筑屋的增長，精細的

機械系統(tǒng)被用于通風和空調。渠道和管道攜帶來自中央風扇室和空氣調節(jié)機的新鮮空氣。

懸吊在上部樓板結構下面的天花板，隱藏著管道系統(tǒng)，還包含照明設備。用于動力和電話

通訊的電力配線，也被安頓在天花板空間內，或被埋置在樓板結構中的管道內。

已有種種嘗試將機械和電力系統(tǒng)通過坦白地表達它們以合并到建筑物的建筑學中。舉例

來說，在愛荷華州首府得梅因的美國共和保險公司大樓（1965）,管道和樓板結構以一種有

組織和優(yōu)雅的形式暴露在外，用吊頂進行分派。這種方法使得減少建筑物的花費成為也許，

并且可以允許改革，例如在結構的跨度方面。

地基與基礎。所有的建筑物都支撐在地面上，因此，土體的性質成為任何建筑設計中

極端重要的考慮因素。基礎的設計依賴于許多土體的要素，如土的類型，土壤的層理，土

層的厚度和它的壓縮性，以及地下水的狀態(tài)。土壤很少有一個單一的成分。它們通常是不

同厚度土層的混合物。為了評估，土壤被按照顆粒大小分為不同等級，它們從淤泥到粘土

到砂到砂礫到巖石依次增長。大體上，較大顆粒土的負載能力將會強于較小的一些。最硬

的巖石可以高達每平方英尺100噸（每平方米976.5公噸）的負載，但是最軟的淤泥所能

承受的負載只有每平方英尺0.25噸（每平方米2.44公噸）。所有表面以下的土都處在受

壓狀態(tài)中，說得更精確一些，這些土承受與作用在其上的土柱重量相等的壓力。許多土（除

了大多數的砂和礫石以外）顯示出彈性性質一在荷載作用下受壓變形，當荷載解除后可

以回彈。土壤的彈性經常依賴于時間，也就是說，土的變形也許發(fā)生在荷載作用后從數分

鐘到數年的時間長度上。超過一個時段，假如建筑物作用在土體上的負載高于土的天然壓

實重量，它也許產生沉降。相反地，假如建筑物作用在土體上的負載小于土體的天然壓實

重量，它也許隆起。土也也許在建筑物自重作用下產生流動，就是說，它很容易被壓擠出。

由于壓實和流動效應：建筑物趨向于沉降。例如比薩和博洛尼亞的斜塔，不均勻沉降能

產生破壞效果一一建筑物也許傾斜，外墻和隔墻也許產生裂縫，窗戶和門可可以變得不起

作用，并且極端的情況是建筑物也許倒塌。盡管在某些極端條件下，像墨西哥城的情況，能

產生嚴重的后果，但是不均勻沉降并不是那么嚴重。過去12023以來，那里地卜.水水位的變

化已經使一些建筑物沉降超過10英尺（3米）。由于這種運動能發(fā)生在施工工程中和其后，

仔細分析在建筑物下土的行為顯得非常重要。

土的巨大的可變性導致基礎問題多樣的解決方法。在地表附近存在堅硬土時，最簡樸的解決

方法是把杜放置在一個小的混凝土板上（擴展基底）。土較軟的地方，有必要將杜荷載傳遞

到一個較大的面積上，在這種情況下，則在整個建筑物底下采用連續(xù)的混凝土板（筏或席）。

地表附近的土體不能承載建筑物重量時，木制，鋼制或混凝土制樁被打入以加固土體.

建筑物的施工工程自然是從基礎到上部結構。但是，設計工程則是從屋頂到基礎（沿重力的

方向）。過去，基礎不依照系統(tǒng)調查。科學設計基礎的方法已經在20世紀內得到發(fā)展。美

國KarlTerzaghi的先鋒研究，運用上力學和探測及測試程序技術，使精確預報基礎的行為

成為也許。過去基礎的破壞，像經典的例子一一比薩斜塔，已經變得幾乎不存在。然而，基

礎仍然是許多建筑物一個隱藏而昂貴的部分。

第四課高層建筑

FazliirRahmankhan大體上建筑施工工藝學方面已有許多進步，在超高層的設計和施

工上已經取得了驚人的成就。

高層建筑初期的發(fā)展開始于鋼結構。鋼筋混凝土和薄殼筒系統(tǒng)已經經濟而競爭性地被用

于大量的住宅和商業(yè)目的的結構。由于新型結構系統(tǒng)的創(chuàng)新和發(fā)展，現(xiàn)在從50到100層的

高層建筑遍布全美國。

更大高度的規(guī)定增長了梁柱的尺寸以使建筑物剛性更強，以便在風荷載作用下建筑物

將不會產生超過一個可接受限度的擺動。過度的側移也許導致隔墻，天花板和其他建筑細部

的反復性損害。此外，過度側傾也許使建筑物的居住者日于對擺動的知覺而導致不便。鋼筋

混凝上和鋼結構系統(tǒng)，能充足運用整個建筑物固有潛在的勁性，因而不需要額外加勁以限

制側傾。

例如，在一個鋼結構中，經濟性由建筑物房屋面枳每平方英尺鋼的所有平均數量來定

義。圖一中的曲線A采用層逐漸增長的數量表現(xiàn)傳統(tǒng)框架的平均單位重。曲線B則表現(xiàn)框架

受到所有橫向荷載保護下的平均鋼重量。上下邊界之間的間隙則表現(xiàn)傳統(tǒng)梁柱框架為高度付

出的額外費用。結構工程師已經發(fā)展了可消除這一額外費用的結構系統(tǒng)。

鋼結構體系。由于一些類型的結構改革，鋼高層建筑物得到了發(fā)展。此改革被用于辦

公大樓和公寓的建造。

帶有剛性帶式桁架的框架。為了將一個框架結構的外柱約束于內部的垂直梁架,也許在

建筑物中部和頂部采用一個剛性帶式桁架的系統(tǒng)。這一系統(tǒng)的最佳例證是在密爾瓦基的威斯

康辛州第一銀行建筑物（1974）。

框架筒體。只有當建筑物突出地面的所有的柱構件可以彼此連接使整個建筑物成為一

個空心簡體或一個勁性箱體時，一懂高層建筑的整個結構才干最有效。這種特殊的結構體

系第一次大約是用于芝加哥的43層樓高的德威特栗木鋼筋混凝土公寓。而這一系統(tǒng)最重要

的應用是紐約的110層樓高的世界貿易中心的鋼結構雙塔。

對角柱桁架支撐筒體。建筑物的外柱可以被適當的分隔卻仍能通過在梁柱中線處交叉

對角構件連接使之作為一個筒體而共同工作。這種簡樸而又極其有用的系統(tǒng)最早被用于芝

加哥的約翰漢考克中心，其僅僅使用了傳統(tǒng)的40層樓高建筑的用鋼量

組合筒體（束筒）。由于對更大更高的建筑物的連續(xù)需求，框架筒和對角柱桁架支撐

筒也許采用組合使用的形式以發(fā)明更大的筒，并仍可以保持高功效。芝加哥110層樓高的

西爾斯瑞巴克總部有9個簡，由三排建筑物組合而成。一些個別簡體終止在建筑物不同的

高度，證明了無限建筑也許性的結構觀念。西爾斯塔高1450英尺（442m）,是世界上最高

的建筑。

薄殼筒體系。筒結構體系的發(fā)展提高了高層建筑抵抗側向力（風和地震作用）和飄移

（建筑物的側向運動）的能力。薄殼筒使筒結構體系有了進一步的發(fā)展。薄殼筒的進步是

運用（高層）建筑的外表面（墻和板）作為與框筒共同作用的結構構件，為高層建筑抵抗側

向荷載提供了一個有效的途徑，并且可獲得不設柱子，節(jié)省成本，使用面積與建筑面積之比

很高的室內空間。

由于薄殼表面的作用：筒體的框架構件數量減少，使得結構更輕，費用更少。所有標準

柱和外墻托梁都采用標準型鋼，使得組合構件的使用和花費最小化。四周外墻托梁的深度規(guī)

定也被減少，并且樓板上的頂梁對有用空間的占用會達成最小。這種結構系統(tǒng)已經被使用于

54層樓高的匹茲堡的梅隆銀行中心。

混凝土體系。雖然采用鋼結構建造的高層建筑開始很早，但是鋼筋混凝土高層建筑的

快速發(fā)展在辦公大樓和公寓方面對鋼結構體系產生了很大的挑戰(zhàn)。

框架筒體。由上面討論到的，高層建筑最早的框架筒體概念應用于43層樓高的德威特

栗木公寓。在這一建筑物中，外柱以中心距為5.5英尺（168米）的間隔排列，內柱則用于

支撐8英寸厚的混凝土平板。

筒中筒。另一個用于辦公大樓的鋼筋混凝土結構體系是將內部框架筒體與傳統(tǒng)的剪力墻工

藝相結合。這種體系由間距很小的柱子構成的外框架筒與圍繞中心設備區(qū)的剛性剪力墻內

筒組成。這種被稱為筒中筒的體系使設計目前世界上最高（714英尺或218米），總費用只

相稱于傳統(tǒng)35層樓高的剪力墻結構體系的輕型混凝土建筑（52層樓高的休斯頓的殼廣場建

筑）成為也許。

結合混凝土和鋼的體系也得到發(fā)展,這方面的一個例子是由也idmore,Owings和Merril1

發(fā)展的復合體系。它是采用間距很小的混凝土外框架筒包圍鋼框架內筒組成，因此兼有鋼筋

混凝土和鋼結構體系的優(yōu)點。在新奧爾良的一個52層樓高的殼廣場建筑便是以這一體系為

基礎。

第五課環(huán)境工程

環(huán)境工程是有關由結構，機器，系統(tǒng)和人類的活動引起的污染的一個工程分支。文

明的發(fā)展已經引起許多地球生態(tài)系統(tǒng)的紊亂，導致空氣，陸地和水的污染。環(huán)境工程師的

責任不僅在于設計系統(tǒng)以緩和這一污染，并且還需要教育人們保護他們周邊的環(huán)境免受

其他污染。環(huán)境工程的實踐被劃分為以下各種不同層次。

水質解次。在許多情況下，河流，湖泊和海洋已經被由住宅，商業(yè)，和工業(yè)源點排放

的液態(tài)廢料污染。這些水體許多已經由于20世紀70年代的一次運動被開墾裝配上新的廢

水解決設備并且一些舊的設備也得到了改良，可以采用物理化學和生物學方法從液態(tài)廢水

中除去污染物。有機物使河流和湖泊中的氧氣耗盡，并因此導致魚類的死亡和有毒的臭氣。

物理化學和生物學工序可以取去大量的有機物，連同來自廢棄河流上漂浮的浮渣和滑

脂。化學消毒可以使廢棄河流中的細菌，病毒和原生生物鈍化。物理化學方法用于除去廢棄

河川中的固體化學物，所用的方法有過篩，砂和砂礫分離，化學凝結和單純沉淀。生物學方

法有加菌濾渣，接觸塔和生物圈。

這些解決方法應用到住宅，商業(yè)和工業(yè)廢水上，已經減少了許多河流，湖泊和海洋的

污染限度。然而，大部分地區(qū)存在著清理不完全的情況。在許多其他地區(qū)的暴風雨期間發(fā)生

未經解決的衛(wèi)生廢污和大量廢水的無限制排放。這些排放物來源于攜帶衛(wèi)生廢污和大量垃圾

的管道。在暴風雨期間，陸地上的雜質混合著管道里的衛(wèi)生廢污，并且廢水量超過了管道的

承載量；在它能到達廢水解決設備前，這一混合物的部分就流了最近的水體。通常，建造一

整套全新的分開衛(wèi)生廢污的管道價格太昂貴。但是，一些都市，像芝加哥，已經開始采用建

造一個能在暴風雨期間儲存大量流量的深地下隧道，廢水可以合理的速率進出解決設備的

系統(tǒng)來解決這一問題。

在那些廢水一定會進入湖泊和干的河川的地方，必須采用更高水平的解決措施，涉及

營養(yǎng)物和膠質物的除去。物理化學和生物學解決方法被月于廢水的解決。此外，在生物方法

解決后，化學制品被用于營養(yǎng)物的沉淀，和緊接著固體殘留物的凝結和過濾。在一些情況下,

粒狀的活性碳或膜被用于廢棄河川的附加凈化。由于任何可見的污染對水域的形狀產生的破

壞，所以這種更高水平的解決是可取的。此外，這種解決還可以對水域上由營養(yǎng)物磷和氮引

起的潛在的富營養(yǎng)化效應起防止作用。

對于有廢水排放而下游又用于飲用水源的河流，需要特別注意的不僅有廢污中有機物

的排除，尚有使微生物鈍化進行的消毒程序。還需要關心的是來自工業(yè)生產的有機化學污染

物或者沿河農田使用的殺蟲劑和除草劑污染的河川

世界上比較普遍的是對排入河川的廢水進行間接的反復運用。同時，只要排放物通過適

當的解決，并且有機化學污染物被消除，也是可以被接受的。比較不可接受的是直接反更使

用廢水作飲用的用途，甚至是在高度解決之后。最關心的則是疾病爆發(fā)的也許性。但是，一

些國家，像以色列，出于需要做實驗，在物理化學解決前通過在成熟作用的地沼中長時間

儲存廢水來反復使用。反復使用廢水，緊接著進行可取的解決，再用于農作物的灌溉和為高

爾夫課程澆水，這種方法已經變得相稱普遍和可接受，特別是在干燥性氣候下。此外，某些

特定地區(qū)如那不勒斯，佛羅里達和歐文，力口州，已經裝配雙重的水系，一方面解決過的廢

水用于戶外住宅，商業(yè)，以及消防用水等用途，另一方面保存高質量的水用于潛在的需要。

在其他的情況，大型工業(yè)聲業(yè)直接從河川中取水用戶工業(yè)上的冷卻。

廢水固體物質解決。從廢水中通過物理化學和生物學方法分離出來的有機和無機的固

體必須進行脫水,采用生物和化學方法使之穩(wěn)定,并且需掩埋在受約束的垃圾場,焚燒或者

堆制成肥料。有些固體不一定要脫水，而是能直接應用到陸地的一些環(huán)境，接著是生物穩(wěn)

定過程。可以舉出很多這樣的例子，如在密爾瓦基，威斯康辛州，固體被加工作肥料。

不幸的是，在世界的許多地方，涉及美國的東海岸，固體廢物既不是再生作陸地也不

是焚燒作能源，而是用船或者管道運送到大海再直接向海水中傾卸。我們希望這種做法會被

廢止，而焚化作能量供應以及堆制成肥反復運用于上地將會代替海洋傾卸解決。在固體廢物

堆肥的地方，有毒的和重金屬必須在源點被除去。

解決廢水中的固體廢物的方法有擠壓，皮帶，離心分離機以及流化床火爐脫水。已經受

到相稱注意的此外一種方法是容器堆肥。

垃圾解決。在陸地上的廢物和垃圾的不加選擇的傾卸已經引起嚴重的污染問題。垃圾

解決可以控制在一個設計和操作很好的垃圾掩埋場，并且這也許是特定的小社區(qū)的一個適

當方法。然而，在中型和大型社區(qū)用于垃圾解決的土地正在嚴重縮減，井且垃圾堆肥在陸

地上的反復使用也許已經被限制應用。對大多數社區(qū)適當的系統(tǒng)似乎是垃圾的焚化，通過

燃燒有機材料來回收能量。來自熱反映堆以及廢水解決廠焚燒固體廢物的火爐的空氣發(fā)生

發(fā)射系統(tǒng)必須設計成能防止化學品和微粒子空氣污染。這些空氣發(fā)射系統(tǒng)涉及靜電沉淀和

加力燃燒室。

有害廢物解決。不幸的是，由于來自工業(yè)和商業(yè)活動以及公眾代辦站的長期非法領卸

和洗滌，鄉(xiāng)間和地下水已經變得混亂并且被污染。來自傾卸解決地的廢物儲存容器的去除

必然地是個很慢的方法，并且一個經核準的解決基地必須存在并發(fā)展。被污染的土壤和地

下水的凈化是個更慢的方法，凈化工藝必須被設計并實行。例如，被有機化學物污染的水

應慢慢從蓄水層中抽取，然后通過空氣脫膜或粒狀活性碳吸附作用除去污染物。經凈化后

的水再回注入蓄水層，這個工程則需要數年才干完畢。在一些情況下，這也許是不便的，

由于這對那些必須使用這些地下水作飲用供應的社區(qū)，會導致健康危害。

空氣污染控制。柴油驅動的卡車和不受限制的汽油機使環(huán)境中廢煙增長，工業(yè)煙囪則

帶來污染。在美國，1987年環(huán)境保護組織出版的登記表顯示，每年有磅（公斤）的有毒

化學品被釋放到空氣中，當一億人居住的時候，其他的空氣污染物重要來自于汽車，超過

聯(lián)邦標準。像洛杉機這樣的大城市的地方煙霧則由各社區(qū)的活動引起。在美國中西部由工

業(yè)煙囪排放的廢氣引起的酸雨降落在了東北部和加拿大的森林和湖泊上。

雖然已經做了很多空氣凈化的嘗試，但是解決的行動還是受到很大的限制。工藝學上可

用于除去空氣中的顆粒物質和化學污染物的方法是可用的（例如多樣性火爐，流化床反映堆

以及究竟久經考驗的空氣發(fā)射技術），但是代價昂貴，并且過程緩慢。

飲用管理。安全高質量的飲用水的可用性是現(xiàn)代文明中一個重要的要素。

源點。通過撤回來自河川的飲用水的間接廢水運用是一個可行并且經濟的供應社區(qū)飲

用水的方法，特別是在濱水地區(qū)。水必須通過消毒解決以使微生物污染物鈍化，還必須進

行物理化學解決以除去有機和無機污染物。

其他的飲用水源是自然湖泊和水庫。它們往往優(yōu)于河水，并且它們可作多重用途，如給

排水和水力電氣的動力。這些湖泊的部分區(qū)域的受限制的娛樂使用是很尋常的。

地下的蓄水層是一個次水的通常源點，并且其質量相稱高，除了那些化學污染已經發(fā)

生的地方。在世界的一些地區(qū)，蓄水層能被開墾的地表水回灌。

在世界許多地區(qū)的一個嚴重的問題是在低降水和降雪期間純凈飲水的短缺。一場大規(guī)模

旱災發(fā)生在1989年美國東海岸的春天。在旱災中出現(xiàn)水資源短缺的兩個因素是：許多飲水

供應系統(tǒng)沒有能計劃充足以應對旱災；相對低的水價使大量水被浪費。

質量。必須審慎選擇最純凈的水用于飲水,如地下水,泉水,或高地湖泊,然后對其

源點進行強制性保護。防止地下水的化學污染是極其重要的,其可以通過明智的控制地表

水沿岸的使用來實現(xiàn)。湖泊能被用于娛樂及水源。然而如此的混合應用需要作很好的計劃。

供應水的凈化與分水除的規(guī)劃和控制同樣重要。在源點質量相稱好的地方，化學消毒，

凝結，過濾就足夠了。假如水是來自含泥量多并遭受有機物污染的河川供應，則需要額外的

解決措施。在20世紀80年代，凈水工藝有了大幅的進步。臭氧已經成為一種消毒劑的選擇,

由于它是對細菌，病毒和原生動物消毒的最有效的消毒劑，并且它不像氯，當水中存在有

機物質的時候，它不會形成致癌副產物。經濟內嵌或直接的過濾可以用于凈化許多高地供

應。和臭氧結合，這種方法對許多未過濾水供應是能合月的。粒狀的活性碳可以除去水中產

生味道和氣味的物質，并且能吸取有害的有機化學物質。

對自來水污染最后的屏隙是配水系統(tǒng)的小心管理。化學制品能被添加到已凈化水中以抵消系

統(tǒng)的腐蝕狀態(tài)，如此可大大減少鉛管系統(tǒng)接合處對鉛的濾去量。并且水管能填塞水泥砂漿并

保持奔流以防止臟水。

其他方面。環(huán)境工程學可以用于區(qū)域性問題的解決。變得富營養(yǎng)化和藻類繁盛的池塘

和湖泊不能被用于娛樂，并且這水假如被用于飲用也許是有害的。海港處水的無差別的解決

和隨之發(fā)生的海灘污染能通過適當的規(guī)則和強制執(zhí)行來防止。最后，還必須發(fā)展對景觀地廢

物的最佳解決方法。

第六課：取暖，通風，和空調

取暖，通風，和空調系統(tǒng)是環(huán)境工程的重要方面，就最新的概念而言，他涉及建筑工

程的所有方面：比如說給排水工程，隔音工程及室內布置工程。環(huán)境工程的概念就標志著建

筑的所有因素都有著內在的聯(lián)系。取暖可由照明設備提供，舉個例子：管道是影響空港系統(tǒng)

的重要因素，同時，它也能影響結構的設計。

雖然目前有條文對建筑的種種限制，但是這個科目還是被延伸到交通工具中，如：大

客車，6機，輪船，航天器和潛艇。這些都有著很高的特殊規(guī)定。取暖，通風，和空調系統(tǒng)

在目前的背景下，將被定義為控制一個封閉空間的環(huán)境這一普遍的關系。除了使人安逸的設

備外，許多工業(yè)進程都依賴著一個穩(wěn)定的大氣層，如此以來，工程的分支則覆蓋了一個相

禰大的應用范圍。取暖系統(tǒng)涉及到提高溫度以達成高溫環(huán)境。通風系統(tǒng)則涉及到提供新鮮空

氣和抽出那些被污染或具有雜質的空氣。空調系統(tǒng)則涉及了取暖和通風系統(tǒng)的功能，并且還

增長了降溫功能，調節(jié)濕度和潔凈空氣，過濾灰塵，細菌和空氣中的雜質。

在歷史上，人們生火在自己周邊取暖是最容易做到的，并且無疑的是木材是最初的燃

料。一方面在洞穴中，由石器時代遺留下來的爐邊可以說明，后來就在泥土或是草地上生

火。

發(fā)現(xiàn)木炭可以由木材制得，并且是一種無煙的燃料，這被看作在適當的地方的一個簡

樸的進步，那些地方僅僅需要適度取暖，如中國，日本，以及地中海沿岸。

此外一個進展就是氣孔和煙窗的出現(xiàn)。一方面是在屋頂中央開個簡樸的孔，而后來則連

著壁爐，這種發(fā)明源于歐洲13世紀。煙和汽水將不再硬延于生活空間。

火爐在公元前62023在中國出現(xiàn)并使用。它比壁爐更節(jié)省熱量。火爐從俄羅斯傳到德國

和歐洲的大部分國家。及到今天它還在被使用，并且還是一家人的焦點地方。火爐有根過大

西洋進入美國，在那里，本杰明.富蘭克林于1744年改善發(fā)明設計，但其先行者卻是那些

傳統(tǒng)的大腹便便的火爐。

將近于18世紀末期，一方面對壁爐進行科學精制仿佛歸功于物理學家本杰明.湯娜生。

計算rumford。他的目的是在使用耐火粘土團和使用罩蓋時提高明火的使用效率。這兩項設

計減少了總的輻射熱量。由于他的想法并沒有被接受，而導致嚴重的燃料浪費連續(xù)至今。

在燒火加熱的同時對外部空間加熱，這在現(xiàn)在被描敘為中央取暖系統(tǒng)，由希臘

Laccdacmonians發(fā)明，并且第一個使用到加熱樓板中。在城市Ephesus中的大神殿被認為

使用褐煤作為燃料，將暖氣通過氣孔導入地板中。

雖然希臘人結識到集中取暖的優(yōu)點，但是羅馬人才稱得上古代最偉大的供暖技師。他們

發(fā)明了獨特的火坑供暖系統(tǒng)。地板提高了底座，熱氣從熔爐中被導入地板下的空間。暖氣通

過埋在墻里的中空的赤陶導管。這一系統(tǒng)在整個歐洲都可以找到，可見當時羅馬文化的繁

榮。在意大利，火坑供暖裝置僅僅應用于浴室內。在涼爽的地方如英國，則不僅僅應用于浴

室，也用于起居室，和有時需要取暖的一些房間里。

如此科學技術的發(fā)展和精煉隨著羅馬帝國的衰弱和城市的毀滅而終止。那些黑暗時期似

乎又回到了原始生活。城堡和住宅使用那些如同原始人類同樣粗糙地取暖，在通風良好的大

廳的石板上用原木燃燒取暖。依舊用龐大而沉重的獸皮保暖，這樣連續(xù)了152023后，舒適

的羅馬的火坑供暖系統(tǒng)被重新發(fā)現(xiàn)并用于現(xiàn)代城市。

在18世紀和19世紀初的工業(yè)革命出現(xiàn)了以蒸汽機作動力。這也提供了新的取暖方法。

最初用于工廠和磨坊。蒸汽在導管中輸送被大規(guī)模用于取暖而不僅限于工業(yè)需求，還可認為

學校，教堂，法院，議會大廳，甚至家庭和園藝的溫室提供暖氣。

蒸汽表面非常燙，導致在空中有烘烤似的作用，經常伴有燃燒殘骸一般的異味，而用

熱水的優(yōu)點在于有一個比較低的表面溫度和比蒸汽更溫和一般的影響。它在1830年被接受。

第一套熱水取暖系統(tǒng)安裝在倫敦的新西大教堂醫(yī)院，用這種方式取暖時，熱水在低壓

下能不斷地流向重要的地方。它運用散熱器，對流暖爐，插入地板及天花板的取暖系統(tǒng)，用

扇子將暖氣分派到不同的地方的方法。

在1831年，英格蘭人JocobPerkins獲得高壓熱水系統(tǒng)的革新方法的專利權。這種系

統(tǒng)就是通過一個卷成圈的連續(xù)循環(huán)的堅固導管接受從暖氣爐的熱量，運送水在一個封閉的

系統(tǒng)繞圈配置在建筑中，在彎管中循環(huán)流動。這一系統(tǒng)獲得了相稱大的推廣。盡管它具有很

高的溫度，他的裝備比那些用于低壓設備中的大而重的鑄鐵導管相比顯得小而整潔。高壓熱

水的原理它已經在一個現(xiàn)代的系統(tǒng)中復興，它一方面遍布歐洲，后來傳向其他各地，重要

用于工業(yè)取暖。

大約直到19世紀才產生對封閉空間來用某種形式誘導通風的需要。那時所建的集會禮

堂，劇院，教堂要容納數百甚至數千人。在工業(yè)中，一些改良蒸汽的氣壓在汽油燈工作間的

磨坊中作為動力，來抵消那些增大的卻作廢的比例。

礦井在最口時期的通風技術是采用在其通風口的最底部用暖氣爐燃燒。而一些建筑的最

初通風系統(tǒng)就起源F上敘方法。例如：重建于1837年的倫敦NewHouses國會廳。會場的空

氣排出便采用焦碳燃燒的方法。早高高的通風11的最底部空間不斷地保持燃燒。那些保存哥

特式建筑的外形特性的建筑卻不再使用通風口。新鮮空氣從河岸的通風口吸入而室內空氣通

過出風口穿過國會大廳地板下的隧道而被導入泰吾士河中。

雖然旋轉式的電扇早在16世紀就發(fā)明了，但從18世紀在工業(yè)中安裝了蒸汽機驅動風扇

以來，一直沒有找到一種方便的動力供應，直到無所不在的電流的出現(xiàn)。

壓力通風系統(tǒng)是一種初期通風道中的蒸汽管加熱空氣把供熱和通風結合起來的方法。其

壓力也是由蒸汽驅動的鼓風機提供。熱空氣在壓力的作用下通過管道被運送到建筑物的各個

部位。學校，醫(yī)院和工廠都是采用這種方法取暖的。

蒸發(fā)冷卻也許最初出現(xiàn)印度。在那里人們把濕的草席掛在向風一邊的空地上，結果可以

冷卻至11到17攝氏度，席子可以手工保濕或在它上面穿孔，這樣的系統(tǒng)運用了空調的一個

最基本的原理。

“空調”這一專業(yè)名詞的出現(xiàn)歸功于StuartW.Cramer,他在192023向美國棉花制作

商協(xié)會提交了一個關于紡織工廠濕度控制的論文。控制紡織品的潮氣等同于在大氣中增長水

蒸氣，這很早就被認為是空調，但它卻不是。但是直到192023,當WillisCarrier出版了

他數年來的研究成果后，具有科學基礎的空調誕生了。

從空調的發(fā)展歷史來看，從生產質量到空調設備一步，在19世紀2023代大

劇院，大商場，和辦公大樓上都安裝了空調設備。空調的經濟價值是顯著的。空

調的發(fā)展成為一個重要的工業(yè)。但是我們期待更新的冷卻技術的出現(xiàn)。

在19世紀末期，取暖和通風系統(tǒng)的設計很大限度上是憑經驗，科學方法的

發(fā)展在19世紀90年代得到了改變，一戰(zhàn)前，研究工作是由

Belin-Charlottenburg大學和其它的一些部門擔任。戰(zhàn)爭過后，許多國家都開

始了研究，特別在聯(lián)合王國，美國，德國，瑞典和法國，所有的這些研究，使

現(xiàn)代空調的影響不斷提高。

第七課橋梁

橋梁是跨越如河流、11谷這樣障礙的一種建筑，從而提供交通便利，到目前為止，大部

分橋梁都是公路橋或鐵路橋。大量的高架橋于19世紀在歐洲建成，目的是保持其運河中船

舶的航行。最小的一座橋在紐約市的肯尼迪機場，它重要是把滑行飛機拖到跑道上服務的。

人類建成的第一座橋類似于原始人在孤立地帶建成的。初期人類的工具和建筑技術如同

原始人類同樣都是最初級的。他們只要通過最少的加工和安裝即可建成。

在森林里，隨處可得結實的木材和圓木，那時侯的橋極也許是由一根或并排的幾根圓

木建成，也許在其上覆一些木枝或草墊以方便行走。

處在熱帶地區(qū)的印度、非洲、和南美洲纖維藤被用來建成懸索橋，這些藤被系在小河或

山谷兩邊的樹上或巖石上,一根或更多的藤被踩在上面行走，其它的則排列在膏腴幾英尺的

地方，用作手扶用.雖然藤索橋通常不穩(wěn)定。但有很多用incas建成藤索橋有足夠的堅固和

穩(wěn)定性，被用于西班牙士兵和它們馬匹的通行。

在巖石地區(qū)，石頭被用來建橋，橫跨河流以很小的間距布置石碓作為橋墩，然后用平

坦的石頭橫過相鄰的橋墩就建成連接兩岸的通道，大部分的石橋就是這種類型，叫做鼓掌

橋。現(xiàn)在在Dartmoor、英格蘭仍然可見，但是它們都建于中世紀甚至更晚。

原始橋梁的第一步變革被認為出現(xiàn)在中國古代，隨后傳入印度。河床一般比樹要寬，中

國人和印度人在河流的中央建成兩個樹樁。在這個結構的兩端，用圓木的一端架在樹樁上并

微微向上傾斜，使其每一層都比它下面的高幾英尺。為了增長穩(wěn)定性，每個木樁在兩岸都用

一堆大而重的石頭錨同；接近河中央，在河中間的兩個木樁的兩端則用簡支梁連接。在這種

結構中，天然支架橋在兩個自由桿的中間加樁后可達成很寬的跨度。

早在公元前4000年的Mesopotamia和在公元千3000年的埃及，用石頭或FI光

烤干的磚被用來安裝重疊的橫梁。這種結構看起來像的拱，下部更平穩(wěn)，被叫做突拱。要使

突拱變?yōu)楦钡墓埃枰^的內部構造適合光滑。這種直拱比突拱更堅固，且早在公元

前500年就被使用。

這種直石拱具有經濟和經久耐用，它可以由許多靜止在碼頭上的拱而跨過小的河流。并

且，它一般會經常出現(xiàn)，而它的質量比先前的任何結構都要好。在中國和羅馬的古代，這種

整體石拱被廣泛地用于橋梁結構。它一直被廣泛地使用直到19世紀。

這里有4類基本結構可以用作水面上的或障礙物上的橋：剛架橋、懸臂橋、拱橋、和懸

索橋體系。

剛架橋最簡樸也也許是最早使用的-即剛架橋河流。這樣它的兩端固定在相對的河岸。

這種剛架橋可以組成某種形狀的木梁、鋼筋混凝土梁或更復雜的約束。剛架橋這種類型的橋

的跨度可以采用在中間建橋墩或在峽谷建擱柵撐，再用幾根橫梁連接起來而增長跨度。剛架

橋的材料必須可以承擔壓力和拉力。盡管它的名字叫曲梁，但事實上這種具有雙重規(guī)定的桿

能用于剛架橋上。結果，梁彎曲較高的部分的壓力比直的部分低一半以上，假如他的受壓承

載力太弱，它將會成扣環(huán)：假如受拉承載力太弱，他將會破壞。

懸臂橋在運用中間橋墩的長跨距橋中它通常是不可行的橋梁結構。舉個例子，在深而流

速急的河流或軟泥中，也許很難建橋墩使它有足夠深度達成基巖層。在這種情況下，岡I架橋

結構用兩根橫梁就可以延伸-----從每岸伸出一根梁，而在兩根梁的端部基礎進行錨固。這

種簡樸的剛架橋結構更具有靜定性，而每一根錨固的梁的這種基礎結構就叫懸臂橋，或許

這種最簡樸而熟悉的懸臂橋例子便是跳水板。在普通的懸臂式橋梁中，懸臂梁端部之間的間

隙是閉合的，為道路提供r連續(xù)的橋面。但是假如把這種橋梁在其閉合點斷開，那么每一根

懸臂梁都不需要此外設立支撐而可保持穩(wěn)定。通常懸臂燙中間間隙是閉合的既是剛架橋。如

此卻使懸臂糧延伸了跨度，

懸索橋在沒有中間橋墩的情況下比懸博橋跨越更大的距離。懸索橋的支撐體系是靠連續(xù)

可彎曲的纜繩的兩端的錨司，懸索橋最簡樸的例子是雜技場高空走鋼絲雜技演員用的鋼絲。

原始的懸索橋經常是一把很小的幾根這樣的鋼絲系在?起來提供扶手和立足點的。在水平公

路上的現(xiàn)代懸索橋則是由筮繩懸吊在車行道兩邊的下面.

拱橋則是相反于懸索橋的作用，在那些懸索橋纜繩自由的提供支撐力的地方，拱橋卻是

從它的兩端支柱固定的向上彎曲。由于在形狀上的不同，懸索橋的纜繩的各點都趨向拉伸而

拱橋的支柱的各處都趨于擠壓。由于這些因素，懸索橋的纜繩必須盡也許的防止延伸，餓拱

橋材料則盡也許地抵抗壓縮。由于拱結構不一定規(guī)定材料具有抗拉強度，所以拱橋可以用磚

或石頭建造，磚或石頭通過拱傳遞壓力的特性結合在一起。這種材料在其它的基本橋梁結構

中卻亳無用處。

在拱橋中，荷載由公路上垂直傳遞下來，直到拱形遭到破壞。當拱遭到純壓而達成臨界

荷載時，便會改變力的傳遞途徑。有壓縮力的推力通過節(jié)點或墩傳到地面。拱這種簡樸而優(yōu)

美的結構成為橋梁中的一種基本結構。

第八課：橋的設計與構造

規(guī)劃現(xiàn)代重要的橋梁建造的第一步是廣泛地研究擬定橋梁的必要性。比如：假如是高

速公路橋，在美國則是由州橋管理局研究規(guī)劃并擬定，在程序上會同本地的政府或聯(lián)邦政

府一起，對重要公路橋梁進行評估研究。如在接近高速公路網上減少交通堵塞，對本地經濟

的影響和橋的造價。這就投定了工程的投資方式，如公眾收費，發(fā)行債券或支付過橋費都被

考慮進來。假如研究認為其可行信，那么橋選址和占地問題將著手解決。在這?點上，現(xiàn)場

測繪工作開始進行，做好精確的實地測量；潮汐，洪水因素，水流和水路上的其他的特性都

要仔細研究，在陸地和水下的泥土和巖石的鉆孔取樣都盡也許地在基礎處進行。

橋梁設計的選擇決定最佳跨度

把橋建成梁，懸臂，桁架，拱，英尺米

懸索或其他類型結構的重要因

素是：（1）地點，如跨越河流;

（2）目的，如建橋為了方便交

通；（3）跨度；（4）可用的

材料；（5）花費；（6）美觀

和和諧性。

在一定范圍的跨度內，

每種結構的都有最大的作用和

經濟。如下表所示：

橋的類型

梁橋20到10006.1到304.8

剛架橋80到30024.4至IJ91.4

拱橋200到100061.0至IJ304.8

桁架橋200到140061.0至IJ426.7

懸臂橋500到1800152.4到548.6

懸索橋100()到5000304.8到1524.0

上表表白了許多類型的合用性有相稱多的重疊。在一些實例中，在不同的初步設計中,

用來比較不同類型的橋結構是為了在最后有最佳的選擇,

材料的選擇橋梁設計者能選用大量的現(xiàn)代高強材料，涉及混泥土，鋼筋，和多種耐腐

蝕的合金。

拿Varian-Narrows大橋來說，設計者使用了七種不同的合金鋼，其中之一的合金的屈

服強度為50000英鎊每平方英寸(3115kg/cml)，并且不需要油漆保護，由于有一種氧化膜覆

蓋在它的表面而防止腐蝕，設計者還選用鋼絲繩作為纜繩，它的抗拉強度超過250000英鎊

每平方英寸(17577kg/cml)

抗壓強度高達8000英鎊每平方英尺(562.5kg/cin2)的混泥土現(xiàn)在被生產用作橋梁工

程，并且它在增長特殊化學物質后具有很高的抗脆裂性能和抗風化性能，這種混泥土被用作

預應力碎，并且其加強了鋼絲繩的抗拉強度，其強度達成250000英鎊每平方英寸(17577

kg/cm2)

橋梁的其它使用材料還鋁合金和木材：現(xiàn)在的鋁合金的屈服強度超過了40000每平

方英寸(2818kg/cnf).把木材碾成細長的薄片，然后用膠水粘在一起而做成的梁是自然木

材強度的二倍。例如用南部松樹而膠結的梁能承受的工作應力達成了3000英鎊每英寸

(210.9kg/cm*)。

應力分析一座橋要抵抗一系列的合力，如拉力，壓力，剪力和扭力。此外，結構還需

要一定的安全儲備一保局限性。對結構進行精確計算各種單獨的壓力和拉力，這就叫應力分

析。這或許是橋梁建設中最復雜的技術。應力分析的目的是為了擬定作用在結構上的里的數

量。

作用在橋梁結構的應力都可以分為二類荷載：動荷載和靜荷載。靜荷載一一即橋結

構自身不變的重量一一它往往也是最大的荷載。動荷載或靜荷載有很多，涉及橋面上的機動

車，風荷載，和積冰積雪荷載.

雖然隨時在橋面上移動的機動車的總重量相稱于靜荷載和動荷載來說是一個很少的

部分，而對設計者來說，由于機動車輛產生的振動和沖擊壓力而會出現(xiàn)特殊問題。例如：在

路面上機動車的不規(guī)則的運動或碰撞對橋面產生短暫而影響加倍的活荷載而導致嚴重的影

響。

風在橋上的施加的里即直接敲打橋結構又間接的敲打在橋面上的通行的車輛。假如

出現(xiàn)空氣彈性振動，在這種情況下的TacomaNarrows大僑的風作用被大大地增大，由于這

種危險的存在，橋的設計者在橋址必須知道所能發(fā)生的最大的風。尚有其它的力作用在橋上,

如：地震產生的壓力也必須注意。

對橋墩的設計通要給予特殊的關注，由于橋墩承擔水流，浮冰和漂浮物而產生的重

荷，橋墩通常尚有被船撞擊的也許。

電腦在應力分析上協(xié)助橋梁設計者，并扮演一個很重要的角色。用一個精確的模型實

驗，特別對橋的動力的活動狀態(tài)的研究也可以幫助設計者。一個小比例的橋模結構中，對橋

模各處的應力，加速度和變形都可以進行精確測量。橋模這時可以承受同樣比例的荷載和動

力條件來分析橋的變化。風洞實驗也可以保證不再發(fā)生TacomaNarrows大橋的失敗。在現(xiàn)

代技術的幫助下，橋梁事故出現(xiàn)的機會將大大少于以前。

建筑基礎建筑物都是從基礎開始的，基礎的花費幾乎大大超過上層建筑。水下基礎通

常會碰到很大的困難，有個古老的方法常被用于淺水中，即在小范圍內垂直圍堰而建橋墩。

羅馬人常用這種方法。

在深水中建基礎一般用沉箱法。沉箱是一個底部開11其余封閉的大盒子而沉入河床上，

工人們在為擋水而充滿壓縮空氣的沉箱里，越挖越深，沉箱也跟著下沉。當達成合適的深度

后在箱內填入混泥土而成為基礎。

在深水中建基礎的另一種方法比沉箱法更安全和更低的成本，用于鋼或混泥土橋墩。在

現(xiàn)代的打樁工具下把重樁打入深水中，樁可以在水面或水下截斷或做成樁帽。如在水卜把它

們做成樁帽，可把?根預制空心樁浮運到做成承臺樁的那?點，然后從空心樁套內灌入混

泥土。

建設上層建筑當所有的樁和支柱建好后，則上部結構開始建筑。結構的建設方法有很

多種類，共有六類建造方法：腳手架，浮運，懸臂，滑移，直升和懸掛法。

在用腳手架建造時，重要用來建混泥土拱橋。金屬或木支撐都是臨時搭設為豎直支撐。

腳手架都是根據需要而靈活搭建的。特別結構在激流回深谷上時.，臨時橋墩和站橋一般使用

在寬而淺的河上。

浮運法重要用來建很長的橋梁。主橋部分是在河岸預制的，然后用駁船浮移到橋梁位

置。用浮吊起重機或卷揚機把該部分精確吊到大橋的建設部位。

懸臂技術不僅用于懸臂橋中，也用于剛拱橋上，先建成一個橋臺，然后一步步延伸到

中央，起重機和帕車可以完畢看儀沉重物在結構上的操作。

滑移法建筑很少用到。這種方法，如一個預制構件或一個組合結構在豎立的支柱上，

滑過臨時或永久性的支撐：直到它進入安裝的另一個支撐。

直升法重要用于輕質小跨度的公路橋。每一個預制橋單元被垂直懸起并旋轉到橋梁支撐

點上。

在由懸掛法建設的橋梁中，-串纜繩連接倆邊的橋頭堡，被用作橋面支撐點。開始的橋

面施工卻在在橋梁施工的最后，并且是由倆端向中央發(fā)展。移動吊車在已完畢的橋面上移動,

用來運送重材，懸掛鋼纜：有時在其他類型的橋梁中被用來在全跨上運送材料。

所有的建筑方法在施工階段都需要驗算應力和變形，在用懸臂梁法施工的

橋梁中，由于完全不同的支撐和荷載條件，未竣工橋梁內的應力也許會超過已

竣工橋梁內的應力。

當公路的鋪裝，標志，燈光，護欄和附屬設施完畢后，橋梁就準備投入使

用了。

第九課海港和海上工程

海港和海上的建筑工作比城市設計有更多不平常的問題和富有挑戰(zhàn)性，連續(xù)寬廣的大

海是自然界最不知疲勞，最有氣勢和具有強大的自然力，為工程師提供一個對手去發(fā)現(xiàn)在

海洋中的建筑的任何弱點或缺陷，而卻防止它們。

海事工程的目的。這些廣泛進行的工程重要目的有兩類：水面運送，圍海造陸或河道管

理。在第一批進行的工程直接用于為水陸交通工具中的貨品和乘客轉移提安全而經濟的設

施。漁港的出現(xiàn)分派著大海的資源。為輪船和水型K機提供了安全島，是船舶的停泊處或是

私人水飛機的降落處。圍海造陸與河道管理是致力于防止海洋對陸地侵蝕恢復和改造海洋所

占用土地以及維護江河入海口以作為內陸徑流排放的有效措施這樣的工程。在很多地方，由

于沒有連續(xù)維護，大浪和暴雨一起將導致居民區(qū)的洪災時常發(fā)生。

土木工程技術所有的工程都有很多廣泛的相同。事實上要認出在同一時期經常出現(xiàn)相似

的工程的不同特性。例如：重要河道清淤至足夠的深度的工作即有助于通航，同時也能增長

上游洪水的泄洪能力。

水力模型。海邊上建工程的計劃取決于運送，圍海造陸，河道管理是否促進發(fā)展技術

模型的研究，曾經認為科技是不必要的，這些研究表白必不可少的第一步是對任何港口或

沿海地區(qū)進行再開發(fā)，去做有用的即使是非常小的更改或增長地區(qū)，海港，河口被做成縮

尺模型。所以水不以被引導如同潮汐和其他的潮流同樣，在同一方向以相同速率處在同一個

地方。各種設備一般都是電子控制，被發(fā)展以海浪和潮汐為動力用來生產。

這個實驗的可貴之處在于引出了在比例上減少被發(fā)現(xiàn)相稱于鮮少模型尺寸的比例。這樣

以來，蘇格蘭的ClydeEstuary工程的巨大模型在14分時的潮汐循環(huán)中或大約50次優(yōu)實際

潮汐次數。

三年潮汐的影響使海港的數據圖表也隨著更改，假如在時間為三周的實驗中對模型的

研究，那么任何其他的潮流在非預期內的沖刷或淤泥也許被查出來。這種價值關系對改變位

置的防堤提供保護同樣可以被研究。運用波浪生成設備，發(fā)現(xiàn)次要的或不利的影響。

在受保護的區(qū)域，波浪因帶來混亂而不受歡迎，這是可以預料甚至還是搶先的。

天然港口和人造港口：

在世界的海岸線中的確存在著偏見，自然界為人類提供的港灣僅僅等待使用。例如紐約

灣，探險者GiouvannidaVec-azan。稱紐約是庇護船只“最滿意的地方”，像進口，港灣,

出也許需要先進的挖泥機：當然還必須修建港口結構，但最重要的是這些都保持著自然形

成狀態(tài)，并且它們對世界上許多大城市來說，其存在非常重要。由于像這些天然的海港并不

是經常需要一般的家們設計的人造海港那樣的港口設備，在一個人工海港的創(chuàng)建中，最重要

的結構設施是防浪堤，有時候也叫防波堤，或者掘地道，其重要作用是保持近海岸的海水

安靜，人工海港的位置當然應當選擇在有潛能的海岸的突出部位；也可以偏于稍微縮進一

些。所以，經常出于經濟性或都戰(zhàn)略性考慮，通常會沿著小太隙蔽的海岸線的陸地上修建防

浪堤圍住一些區(qū)域，建造純粹的港口，