土木工程材料发展方向

摘 要：在分析土木工程定义和重要性的基础上，本文探讨了其发展历程，预测了土木工程未来的发展方向。
关键词：土木工程； 发展； 建筑
Abstract：Based on the definition and importance of Civil Engineering, the development course is discussed, and the development direction of civil engineering is forecasted.
Key words：Civil engineering，development，constructure
1 引言
土木工程是指房屋、公路、铁路、桥梁、水工、港工、地下等工程的总称。土木工程对国家的经济建设和人民生活的影响非常明显和重要。土木工程密切关系到人类赖以生存和繁衍的四大基本要素：衣、食、住、行，为人类提供住宅、宾馆、公寓、衣料生产贮藏基地、食品冷库、公路、机场、铁路、港口、码头、厂房、实验室等现代人类生活和发展的必要场所空间。
2 土木工程的历史
2.1中国土木工程的历史
远在上古时期，中国古人类就在野处穴居，为了避免野兽侵袭，有巢氏（中国的传说中的巢居的发明者），才教古人离开天然岩洞、构木为巢，居于树上。我国古代土木工程多采用土、石、木等材料建造，建造技术和艺术造型达到当时极高的成就。像长城（图1）、赵州桥（图2）、都江堰（图3）等都是具有代表性的中国古代土木工程的杰作。
2.2 世界土木工程发展历史
在欧洲，大约8000年前已开始采用晒干的砖；凿琢自然石的采用，大约在5000～6000年前；至于在建筑中采用烧制的砖，亦有3000年的历史。世界古代的伟大建筑，以公认的七大奇迹（图4～图10）最为引人注目，它们都建于公元前600年～公元前200年，且均为石材建造，大都用于宗教、军事和航海。且都是建于当时经济和科技非常发达的地区，说明土木工程的发展与经济繁荣和科技进步是密不可分的。
3 土木工程的现状
3.1世界现状
随着19世纪中叶钢材及混凝土在土木工程中的开始使用，以及20世纪20年代后期预应力混凝土的制造成功，建造摩天大楼、大跨度建筑和跨海峡1000m以上的大桥成为可能。目前，世界上最高建筑是中国**的101大厦（图11），总高度为508m，世界前十大高层建筑见表1。近代体育事业的蓬勃发展也使得大跨度房屋在世界各地如雨后春笋般涌现，图15和图16为比较典型的优秀奥运会体育场馆。
目前世界跨度最大的悬索桥是日本的东线明石海峡悬索大桥（图17），跨度为1990m；最长的斜拉桥是日本的多多拉桥，桥主跨有890m（图18），预计在不久的将来中国的苏通长江公路大桥（图19）将刷新这一世界纪录。最大跨度的拱桥是中国上海的卢浦大桥（图20），跨度为550m。世界十大悬索桥及斜拉桥分别见表2和表3。
世界高速公路总里程最长的国家为美国，其总长为81105公里。最高的大坝为高285m的瑞士大狄克桑斯坝。最高的电视塔为加拿大高549m的多伦多塔，其次为莫斯科塔，高537m。
3.2 中国现状
回顾20世纪特别是改革开放20年来，我国建设取得举世瞩目的辉煌成就。下面介绍我国的房屋、桥梁、铁路、公路、水利、特种结构等建设情况。
结构工程：改革开放后在我国大陆建造了许多高层建筑，目前我国最高的建筑是世界排名第4的上海金茂大厦（图21）。其他具有代表性的高层建筑还有深圳的地王大厦（图22）。在特种结构方面，我国有4所电视塔排在世界前十位，其中1995年建成的上海东方明珠电视塔（图23）以468m的高度排在世界第三位。为迎接2008年的奥运会，北京将建设一大批大跨超长建筑，像国家体育场“鸟巢”结构（图24）、国家游泳中心“水立方”（图25）、国家大剧院（图26）等。表1表明，无论在工程结构的改革、建筑功能使用、新技术和新材料的采用上及合理组织施工方面，还是在抗震分析和计算机程序应用上及有关抗震控制试验研究上，我国均达国际先进水平。
桥梁工程：我国的桥梁建设发展迅速，取得了辉煌成就。表2及表3表明，我国已进入桥梁工程发达国家之列，且有多座桥梁居世界同类型桥梁中跨度排名之首，广州的丫髻沙大桥（图27）为跨度最大的中承式钢管混凝土拱桥。
铁路工程：截至2000年底，我国铁路运营路程已达6.87万公里，居世界第4位，亚洲之首。铁路朝着城市轻轨和地铁两方面发展。同时，我国也在积极建造高速铁路，武汉至广州的高速铁路运营时间仅需4小时。此外，磁悬浮列车（图28）也在发展。
公路建设：到2000年底，公路通车总里程达140万公里，20年内增加了35万多公里，其中高速公路24336公里，居世界第三，仅次于美国和加拿大。
水利建设：50年间全国兴建大中小水库8.6万座，水库总蓄水量4580亿m3，建设和整修大江大河堤防25万公里，目前防洪工程发挥的经济效益达7000多亿元。在大坝建设方面，我国先后建成了青海龙羊峡大坝、贵州乌江渡大坝、四川二滩大坝等水利水电工程，在建的三峡水电站（图29）总装机容量达1820万千瓦，建成后将超过目前世界上发电量最大的伊泰普水电站50%而跃居世界第一。
4 土木工程的未来
地球上可以居住、生活和耕种的土地和资源是有限的，而人口增长的速度是不断加快的。因此，人类为了争取生存，土木工程的未来至少向五个方向发展（见图30）。
4.1 向高空延伸
现在人工建筑物最高的为646m的波兰Gabin227kHz长波台钢塔，由15根钢纤绳锚拉。日本拟在东京建造800.7m高的千年塔（图31），它在距海约1.25英里的大海中，将工作、休闲、娱乐、商业、购物等融于一体的抗震竖向城市中，居民可达5万人。中国拟在上海附近的1.6公里宽，200m深的人工岛上建造一栋高1250m的仿生大厦，居民可达10万。印度也提出将投资50亿建造超级摩天大楼（图32），其地上共202层，高达710m。
4.2 向地下发展
1991年在东京召开的城市地下空间国际学术会议通过了《东方宣言》，提出了"21世纪是人类开发利用地下空间的世纪"。建造地下建筑将有效改善城市拥挤、节能和减少噪声污染等优点。日本于20世纪50年代末至70年代大规模开发利用浅层地下空间，到80年代末已开始研究50～100m深层地下空间的开发利用问题。日本1993年开建的东京新丰州地下变电所，将深达地下70m。目前世界上共修建水电站地下厂房约350座，最大的为加拿大的格朗德高级水电站。我国城市地下空间的开发尚处于初级阶段，目前已有北京、上海、广州等六个城市建有地铁，已开通的总长度达215公里；设有140个地铁站，北京地铁长度已达41.6公里。
4.3 向海洋拓宽
为了防止机场噪声对城市居民的影响，也为了节约使用陆地，2000年8月4日，日本大阪利用18亿立方围海建造的1000m长的关西国际机场（图33）试飞成功。阿拉伯联合酋长国首都迪拜的七星大酒店（图34）也建在海上，洪都拉斯将建海上城市型游船，该船将长804.5m，宽228.6m，有28层楼高，船上设有小型喷气式飞机的跑道、医院、旅馆、超市、饭店、理发店和娱乐场等。近些年来，我国在这方面也已取得可喜的成绩，如上海南汇滩围垦成功和崇明东滩围垦成功，最近又在建设黄浦江外滩的拓岸工程。围垦、拓岸工程和建造人工岛有异曲同工之处，为将来像上海这样大的近海城市建造人工岛积累了科技经验和准备力量。
4.4 向沙漠进军
全世界约有1/3陆地为沙漠，每年约有600万公顷的耕地被侵蚀，这将影响上亿人口的生活。世界未来学会对下世纪初世界十大工程设想之一是将西亚和非洲的沙漠改造成绿洲。改造沙漠首先必须有水，然后才能绿化和改造沙土。现在利比亚沙漠地区已建成一条大型的输水管道，并在班加西建成了一座直径1公里、深16公里的蓄水池用以沙漠灌溉。在缺乏地下水的沙漠地区，国际上正在研究开发使用沙漠地区太阳能淡化海水的可行方案，该方案一旦实施，将会启动近海沙漠地区大规模的建设工程。我国沙漠输水工程试验成功，自行修建的第一条长途沙漠输水工程已全线建成试水，顺利地引黄河水入沙漠。我国首条沙漠高速公路——榆靖高速公路已全线动工，其全长116公里。
4.5 向太空迈进
由于近代天文学宇航事业的飞速发展和人类登月的成功实现，人们发现月球上拥有大量的钛铁矿，在800℃高温下，钛铁矿与氢化物便合成铁、钛、氧和水气，由此可以制造出人类生存必需的氧和水。美国政府已决定在月球上建造月球基地（图35），并通过这个基地进行登陆火星的行动。美籍华裔林铜柱博士1985年发现建造混凝土所需的材料月球上都有，因此可以在月球上制作钢筋混凝土配件装配空间站。预计21世纪50年代以后，空间工业化、空间商业化、空间旅游、外层空间人类化等可能会得到较大的发展。
5 结语
本文暂时只提及了土木工程未来的发展方向，对于土木工程的具体细节尚应包括使用功能的发展、结构性能的发展、可持续发展等一系列内容。例如在可持续发展方面，土木工程的使用材料在未来可能会采用污染少、更重复利用的材料，诸如纤维聚合物等；在结构的使用功能上，智能化建筑、仿生建筑将比当今的普通建筑会得到更大的发展空间，这两种建筑都是功能上以人为本、使用上方面舒适、耗资上既节能又可提高工程利用率；近年来，由于灾害的频繁发生，结构抗灾性能的提高已成为结构发展的首要课题，未来的土木工程可能不仅可以抗震、抗风，甚至可以抗暴、抗海啸、防火、防撞、防辐射等。科技的进步，经济的繁荣将带给土木工程发展的春天。
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