现代土木工程

第三节　现代土木工程

第二次世界大战结束后，许多国家的经济开始起飞，现代科学日益进步，为土木工程的进一步发展提供了强大的动力和雄厚的物质基础，一个以现代科学技术为强大后盾的现代土木工程时代开始了。

现代土木工程的特征之一是工程设施与它的使用功能或生产工艺日益紧密结合。随着社会经济的不断发展，人们对土木工程的要求已经不仅仅是挡风避雨、方便出行。以与人们生活最密切的公共建筑和居住建筑为例，它们除具备传统房屋的意义，同时，也被要求成为建筑、结构、给水排水、采暖、通风、供燃气、供电、通信等现代技术设备结合成的整体。工业化程度的不断提高，使得工业建筑物要具备恒温、恒湿、防微振、防腐蚀、防辐射、防火、防爆、防磁、防尘、防高（低）温、耐高（低）湿等功能，并向大跨度、超重型、灵活空间的方向发展。高新技术的发展则对土木工程提出了更高标准的要求。比如，发展核工业需要建造安全度极高的核反应堆和核电站（图2－21）；研究微观世界需要建造技术要求极高的加速度工程；发展海洋采、炼、贮油事业要求建造多功能的海上钻井平台、海上炼油厂、海底油库等海洋工程。据统计，到21世纪初，全世界核电站已有近千座，海上采油平台已经超过600座。

图2－21　大亚湾核电站

随着社会经济的不断发展和人口的快速增长，土地资源日益紧张，人类对空间的利用更加充分，城市建设呈现出立体化的趋势，越来越多的高层建筑、超高层建筑不断涌现，这是现代土木工程的又一个显著特征。1974年，美国芝加哥建成了110层、高达443米的西尔斯大厦（图2－22），其高度比纽约帝国大厦高出65米，曾保持世界第一20多年；1998年，我国上海建成了钢筋混凝土和钢结构混合结构的金茂大厦（图2－23），高度达421米；1996年，马来西亚建成吉隆坡双塔佩特纳斯大厦（图2－24），高达452米，是当时最高的房屋建筑；2004年，中国台北建成101大厦（图2－25），高度达508米，是目前世界上的第一高楼；而目前世界上最高的建筑物则是1976年建造的加拿大国家电视塔（图2－26），其高度为553米，比上海的东方明珠电视塔高出近100米。目前，世界部分国家正计划建设或已经开始建设了许多“世界第一高楼”，如阿拉伯联合酋长国港口城市迪拜正在建设的“迪拜塔”（图2－27），建成后高度将达700米。高层建筑的高度被不断地刷新，这标志着现代土木工程已经达到了较高的发展水平。

图2－22　西尔斯大厦

图2－23　金茂大厦

图2－24　佩特纳斯大厦

图2－25　台北101大厦

图2－26　加拿大国家电视塔

图2－27　建设中的“迪拜塔”

城市交通拥挤已经成为世界各大城市的普遍现象，为缓解这一问题，现代城市的交通呈现出立体化的趋势，立交桥、高架桥、地下铁路等交通设施成为城市发展程度的象征。此外，交通运输还呈现出高速化的特点，高速公路大规模修建，电气化铁路得到快速发展，以及跨海大桥和海底隧道等工程大大缩短了交通距离。据统计，目前美国是世界上高速公路总里程最长的国家，拥有8．8万千米的高速公路，约占世界高速公路总里程的一半；我国拥有高速公路里程2万多千米，排名世界第二。近年来，我国大力发展高速铁路、大型桥梁和隧道工程。现已通车的动车组时速达200多千米；2007年6月全线贯通的杭州湾跨海大桥（图2－28）耗资114亿元人民币，全长36千米，缩短宁波至上海的陆路距离120千米，是世界上最长的跨海大桥；我国自行设计施工的高速公路特长隧道——秦岭终南山隧道（图2-29）于2007年1月建成通车，其全长18．02千米，总投资31．93亿元人民币，隧道通车后，秦岭天堑变为通途，西安至秦岭深处的柞水县城行车时间由原来的3小时缩短为40分钟。

图2－28　杭州湾跨海大桥

图2－29　秦岭终南山隧道

水利工程大型化是现代土木工程的另一个特征，我国则是发展大型水利工程的代表。我国建国以来对水利工程的建设非常重视，经过50多年的努力，已取得辉煌的成绩，兴建了86000多座水库，是世界上水库最多的国家之一；改革开放以后，我国国民经济高速发展，综合国力有了很大提高，具备了更大规模开发和利用水资源的条件，三峡水利枢纽工程和南水北调工程都是世界一流的大型水利工程。三峡工程是世界最大规模的水利枢纽工程，它的许多指标都突破了世界水利工程的纪录，如三峡水电站总装机1820万千瓦，年发电量847亿千瓦时，是世界上最大的电站；三峡大坝坝轴线全长2309．47米，泄流坝段长483米，水电站机组70万千瓦×26台，双线5级船闸＋升船机，无论单项、总体规模都是世界上建筑规模最大的水利工程；三峡工程主体建筑物土石方挖填量约1．34亿立方米，混凝土浇筑量2794万立方米，钢筋制安46．30万吨，是世界上工程量最大的水利工程；三峡工程2000年混凝土浇筑量为548．17万立方米，月浇筑量最高达55万立方米，创造了混凝土浇筑的世界纪录，是世界上施工难度最大的水利工程；三峡工程泄洪闸最大泄洪能力10．25万立方米／秒，是世界上泄洪能力最大的泄洪闸；三峡工程水库动态移民最终可达113万，是世界上水库移民最多、工作也最为艰巨的移民建设工程等。

随着世界各国综合国力的不断提高，文化、体育设施的建设得到了世界各国政府的重视，随之产生的众多造型奇特、外观亮丽的大跨文体建筑则成为现代土木工程中一道靓丽的风景线。以我国2008年主办奥运会为例，奥运场馆不但投资大、建设规模大，而且在设计和建造的过程中充分展示了现代土木工程的新材料、新技术、新理念。据初步统计，奥运场馆建设投入达300亿元，环境投资达1000亿元，交通、能源等市政基础建设投资达1800亿元，北京市累计投资将达1．5万亿元。在众多场馆当中，国家体育场（图2－30）和国家游泳中心（图2－31）是最具代表性的两个建筑。中国国家体育场是目前世界上跨度最大的体育建筑之一，采用巨型大跨度钢桁架编织式“鸟巢”结构，屋顶维护结构为钢结构上覆盖双层膜结构，主体建筑为南北长333米、东西宽298米的椭圆形，最高处69米，在设计中大量采用新技术、新材料和新工艺，并进行了许多研究工作和技术创新，填补了国内多项空白，很多成果达到了国际先进水平。体育场中座椅所用的材料是由中石化公司自行研制的新材料制成，其不但质感好、抗老化能力强，而且材料均可以回收利用，体现了“绿色奥运”的思想。国家游泳中心又称“水立方”，它由空间钢框架体系和ETFE膜覆盖构成（ETFE为四氟乙烯的缩写，它是建筑产业中的一种相对较新的膜材料），钢框架形成了若干自由的多边形，而每个多边形上覆盖一个ETFE气泡，这就是“水泡”的外观，“水立方”建成后将是世界上跨度最大的膜结构建筑。

图2－30　国家体育场

图2－31　国家游泳中心

简而言之，现代土木工程在材料、施工和理论上体现了新的发展趋势。土木工程材料轻质、高强化，轻骨料混凝土、加气混凝土、高性能混凝土得以发展和应用，钢材向低合金、高强度方向发展，铝合金、建筑塑料、玻璃钢、纤维材料等一批轻质高强度材料得到迅速发展；施工过程趋向工业装配化，即土木工程的施工出现了在工厂里成批生产房屋、桥梁的各种构配件、组合体，再将它们运到建设场地进行拼装的方式，此外，各种先进的施工设备和手段，如大型吊装设备、混凝土自动搅拌输送设备、现场预制模板、土石方工程中的定向爆破也得到很大发展；设计理论更加精确化、科学化，理论分析由线性分析到非线性分析，由平面分析到空间分析，由单个分析到系统的综合整体分析，由静态分析到动态分析，由经验定值分析到随机分析乃至随机过程分析，由数值分析到模拟试验分析，由人工手算、人工做方案比较、人工制图到计算机辅助设计、计算机优化设计、计算机制图，土木工程各理论如可靠度理论、土力学和岩体力学理论、结构抗震理论、动态规划理论、网络理论等也得到迅速发展。