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土木工程概论2010-10-0512:14:14Tag如何制作土木工程专业英语教学课件本文认为.在高职土木工程专业英语教学中开发出理念先进、有用性强的教学课件,把多媒体引进专业英语课堂更能表达教学内容的针对性、教学手段的先进性与知识能力的应用性[公布能飞英语网编辑能飞英语网]第一课土木工程学土木工程学作为最老的工程技术学科,是指规划,设计,施工及对建筑环境的管理此处的环境包含建筑符合科学规范的所有结构,从灌溉与排水系统到火箭发射设施土木工程师建造道路,桥梁,管道,大坝,海港,发电厂,给排水系统,医院,学校,公共交通与其他现代社会与大量人口集中地区的基础公共设施他们也建造私有设施,比如飞机场,铁路管线,摩天大楼,与其他设计用作工业,商业与住宅途径的大型结构止匕外,土木工程师还规划设计及建造完整的城市与乡镇,同时最近一直在规划设计容纳设施齐全的社区的空间平台土木一词来源于拉丁文词“公民”在1782年,英国人JohnSmeaton为了把他的非军事工程工作区别于当时占优势地位的军事工程师的工作而使用的名词自从那时起,土木工程学被用于提及从事公共设施建设的工程师,尽管其包含的领域更为广阔领域由于包含范围太广,土木工程学又被细分为大量的技术专业不一致类型的工程需要多种不一致土木工程专业技术一个项目开始的时候,土木工程师要对场地进行测绘,定位有用的布置,如地下水水位,下水道,与电力线岩土工程专家则进行土力学试验以确定土壤能否承受工程荷载环境工程专家研究工程对当地的影响,包含对空气与地下水的可能污染,对当地动植物生活的影响,与如何让工程设计满足政府针对环境保护的需要交通工程专家确定必需的不一致种类设施以减轻由整个工程造成的对当地公路与其他交通网络的负担同时,结构工程专家利用初步数据对工程作全面规划,设计与说明从项目开始到结束,对这些土木工程专家的工作进行监督与调配的则是施工管理专家根据其他专家所提供的信息,施工管理专家计算材料与人工的数量与花费,薄壳筒体系筒结构体系的进展提高了高层建筑抵抗侧向力(风与地震作用)与飘移(建筑物的侧向运动)的能力薄壳筒使筒结构体系有了进一步的进展薄壳筒的进步是利用(高层)建筑的外表面(墙与板)作为与框筒共同作用的结构构件,为高层建筑抵抗侧向荷载提供了一个有效的途径,而且可获得不设柱子,节约成本,使用面积与建筑面积之比很高的室内空间由于薄壳表面的作用,筒体的框架构件数量减少,使得结构更轻,费用更少所有标准柱与外墙托梁都使用标准型钢,使得组合构件的使用与花费最小化四周外墙托梁的深度要求也被减少,而且楼板上的顶梁对有用空间的占用会达到最小这种结构系统已经被使用于54层楼高的匹兹堡的梅隆银行中心混凝土体系尽管使用钢结构建造的高层建筑开始很早,但是钢筋混凝土高层建筑的快速进展在办公大楼与公寓方面对钢结构体系产生了很大的挑战框架筒体由上面讨论到的,高层建筑最早的框架筒体概念应用于43层楼高的德威特栗木公寓在这一建筑物中,外柱以中心距为
5.5英尺(168米)的间隔排列,内柱则用于支撑8英寸厚的混凝土平板筒中筒另一个用于办公大楼的钢筋混凝土结构体系是将内部框架筒体与传统的剪力墙工艺相结合这种体系由间距很小的柱子构成的外框架筒与围绕中心设备区的刚性剪力墙内筒构成这种被称之筒中筒的体系使设计目前世界上最高(714英尺或者218米),总费用只相当于传统35层楼高的剪力墙结构体系的轻型混凝土建筑(52层楼高的休斯顿的壳广场建筑)成为可能结合混凝土与钢的体系也得到进展,这方面的一个例子是由SkidmoreOwings与Merrill进展的复合体系它是使用间距很小的混凝土外框架筒包围钢框架内筒构成,因此兼有钢筋混凝土与钢结构体系的优点在新奥尔良的一个52层楼高的壳广场建筑便是以这一体系为基础第五课环境工程是有关由结构,机器,系统与人类的活动引起的污染的一个工程分支文明的进展已经引起许多地球生态系统的紊乱,造成空气,陆地与水的污染环境工程师的责任不仅在于设计系统以缓与这一污染,而且还需要教育人们保护他们周围的环境免受其他污染环境工程的实践被划分为下列各类不一致层次水质处理在许多情况下,河流,湖泊与海洋已经被由住宅,商业,与工业源点排放的液态废料污染这些水体许多已经由于20世纪70年代的一次运动被开垦装配上新的废水处理设备同时一些旧的设备也得到了改良,能够使用物理化学与生物学方法从液态废水中除去污染物有机物使河流与湖泊中的氧气耗尽,并因此导致鱼类的死亡与有毒的臭气物理化学与生物学工序能够取去大量的有机物,连同来自废弃河流上漂浮的浮渣与滑脂化学消毒能够使废弃河流中的细菌,病毒与原生生物钝化物理化学方法用于除去废弃河川中的固体化学物,所用的方法有过筛,砂与砂砾分离,化学凝聚与单纯沉淀生物学方法有加菌滤渣,接触塔与生物圈这些处理方法应用到住宅,商业与工业废水上,已经降低了许多河流,湖泊与海洋的污染程度然而,大部分地区存在着清理不完全的情况在许多其他地区的暴风雨期间发生未经处理的卫生废污与大量废水的无限制排放这些排放物来源于携带卫生废污与大量垃圾的管道在暴风雨期间,陆地上的杂质混合着管道里的卫生废污,同时废水量超过了管道的承载量;在它能到达废水处理设备前,这一混合物的部分就流了最近的水体通常,建造一整套全新的分开卫生废污的管道价格太昂贵但是,一些都市,像芝加哥,已经开始使用建造一个能在暴风雨期间储存大量流量的深地下隧道,废水能够合理的速率进出处理设备的系统来解决这一问题在那些废水一定会进入湖泊与干的河川的地方,务必使用更高水平的处理措施,包含营养物与胶质物的除去物理化学与生物学处理方法被用于废水的处理此外,在生物方法处理后,化学制品被用于营养物的沉淀,与紧接着固体残留物的凝聚与过滤在一些情况下,粒状的活性碳或者膜被用于废弃河川的附加净化由于任何可见的污染对水域的形状产生的破坏,因此这种更高水平的处理是可取的此外,这种处理还能够对水域上由营养物磷与氮引起的潜在的富营养化效应起防止作用关于有废水排放而下游又用于饮用水源的河流,需要特别注意的不仅有废污中有机物的排除,还有使微生物钝化进行的消毒程序还需要关心的是来自工业生产的有机化学污染物或者者沿河农田使用的杀虫剂与除草剂污染的河川世界上比较普遍的是对排入河川的废水进行间接的重复利用同时,只要排放物通过适当的处理,同时有机化学污染物被消除,也是能够被同意的比较不可同意的是直接重复使用废水作饮用的用途,甚至是在高度处理之后最关心的则是疾病爆发的可能性但是,一些国家,像以色列,出于需要做试验,在物理化学处理前通过在成熟作用的地沼中长时间储存废水来重复使用重复使用废水,紧接着进行可取的处理,再用于农作物的灌溉与为高尔夫课程浇水,这种方法已经变得相当普遍与可同意,特别是在干燥性气候下此外,某些特定地区如那不勒斯,佛罗里达与欧文,加州,已经装配双重的水系,一方面处理过的废水用于户外住宅,商业,与消防用水等用途,另一方面保留高质量的水用于潜在的需要在其他的情况,大型工业产业直接从河川中取水用于工业上的冷却废水固体物质处理从废水中通过物理化学与生物学方法分离出来的有机与无机的固体务必进行脱水,使用生物与化学方法使之稳固,同时需掩埋在受约束的垃圾场焚烧或者者堆制成肥料有些固体不一定要脱水,而是能直接应用到陆地的一些环境,接着是生物稳固过程能够举出很多这样的例子,如在密尔瓦基,威斯康辛州,固体被加工作肥料不幸的是,在世界的许多地方,包含美国的东海岸,固体废物既不是再生作陆地也不是焚烧作能源,而是用船或者者管道运送到大海再直接向海水中倾卸我们希望这种做法会被废止,而焚化作能量供应与堆制成肥重复利用于土地将会代替海洋倾卸处理在固体废物堆肥的地方,有毒的与重金属务必在源点被除去处理废水中的固体废物的方法有挤压,皮带,离心分离机与流化床火炉脱水已经受到相当注意的另外一种方法是容器堆肥垃圾处理在陆地上的废物与垃圾的不加选择的倾卸已经引起严重的污染问题垃圾处理能够操纵在一个设计与操作很好的垃圾掩埋场,而且这可能是特定的小社区的一个适当方法然而,在中型与大型社区用于垃圾处理的土地正在严重缩减,而且垃圾堆肥在陆地上的重复使用可能已经被限制应用对大多数社区适当的系统大概是垃圾的焚化,通过燃烧有机材料来回收能量来自热反应堆与废水处理厂焚烧固体废物的火炉的空气发生发射系统务必设计成能防止化学品与微粒子空气污染这些空气发射系统包含静电沉淀与加力燃烧室有害废物处理不幸的是,由于来自工业与商业活动与公众代办站的长期非法倾卸与洗涤,乡间与地下水已经变得混乱同时被污染来自倾卸处理地的废物储存容器的去除必定地是个很慢的方法,同时一个经核准的处理基地务必存在并进展被污染的土壤与地下水的净化是个更慢的方法,净化工艺务必被设计并实行比如,被有机化学物污染的水应慢慢从蓄水层中抽取,然后通过空气脱膜或者粒状活性碳吸附作用除去污染物经净化后的水再回注入蓄水层,这个工程则需要数年才能完成在一些情况下,这可能是不便的,由于这对那些务必使用这些地下水作饮用供给的社区,会造成健康危害空气污染操纵柴油驱动的卡车与不受限制的汽油机使环境中废烟增加,工业烟囱则带来污染在美国,1987年环境保护组织出版的统计表显示,每年有磅(公斤)的有毒化学品被释放到空气中,当一亿人居住的时候,其他的空气污染物要紧来自于汽车,超过联邦标准像洛杉机这样的大城市的地方烟雾则由各社区的活动引起在美国中西部由工业烟囱排放的废气引起的酸雨降落在了东北部与加拿大的森林与湖泊上尽管已经做了很多空气净化的尝试,但是解决的行动还是受到很大的限制工艺学上可用于除去空气中的颗粒物质与化学污染物的方法是可用的(比如多样性火炉,流化床反应堆与毕竟久经考验的空气发射技术),但是代价昂贵,同时过程缓慢饮用管理安全高质量的饮用水的可用性是现代文明中一个重要的要素源点通过撤回来自河川的饮用水的间接废水利用是一个可行同时经济的供给社区饮用水的方法,特别是在滨水地区水务必通过消毒处理以使微生物污染物钝化,还务必进行物理化学处理以除去有机与无机污染物其他的饮用水源是自然湖泊与水库它们往往优于河水,同时它们可作多重用途,如给排水与水力电气的动力这些湖泊的部分区域的受限制的娱乐使用是很寻常的地下的蓄水房是一个饮水的通常源点,同时其质量相当高,除了那些化学污染已经发生的地方在世界的一些地区,蓄水层能被开垦的地表水回灌在世界许多地区的一个严重的问题是在低降水与降雪期间纯净饮水的短缺一场大规模旱灾发生在1989年美国东海岸的春天在旱灾中出现水资源短缺的两个原因是许多饮水供给系统没有能计划充分以应对旱灾;相对低的水价使大量水被浪费质量务必审慎选择最纯净的水用于饮水,如地下水,泉水,或者高地湖泊,然后对其源点进行强制性保护预防地下水的化学污染是极其重要的,其能够通过明智的操纵地表水沿岸的使用来实现湖泊能被用于娱乐及水源然而如此的混合应用需要作很好的计划供给水的净化与分水岭的规划与操纵一样重要在源点质量相当好的地方,化学消毒,凝聚,过滤就足够了假如水是来自含泥量多并遭受有机物污染的河川供给,则需要额外的处理措施在20世纪80年代,净水工艺有了大幅的进步臭氧已经成为一种消毒剂的选择,由于它是对细菌,病毒与原生动物消毒的最有效的消毒剂,同时它不像氯,当水中存在有机物质的时候,它不可能形成致癌副产物经济内嵌或者直接的过滤能够用于净化许多高地供给与臭氧结合,这种方法对许多未过滤水供给是能适用的粒状的活性碳能够除去水中产生味道与气味的物质,同时能汲取有害的有机化学物质对自来水污染最后的屏障是配水系统的小心管理化学制品能被添加到已净化水中以抵消系统的腐蚀状态,如此可大大减少铅管系统接合处对铅的滤去量而且水管能填塞水泥砂浆并保持奔流以预防脏水其他方面环境工程学能够用于区域性问题的解决变得富营养化与藻类繁盛的池塘与湖泊不能被用于娱乐,同时这水假如被用于饮用可能是有害的海港处水的无差别的处理与随之发生的海滩污染能通过适当的规则与强制执行来预防最后,还务必进展对景观地废物的最佳处理方法第六课取暖,通风,与空调取暖,通风,与空调系统是环境工程的要紧方面,就最新的概念而言,他包含建筑工程的所有方面比如说给排水工程,隔音工程及室内布置工程环境工程的概念就标志着建筑的所有因素都有着内在的联系取暖可由照明设备提供,举个例子管道是影响空调系统的重要因素,同时,它也能影响结构的设计尽管目前有条文对建筑的种种限制,但是这个科目还是被延伸到交通工具中,如大客车,飞机,轮船,航天器与潜艇这些都有着很高的特殊要求取暖,通风,与空调系统在目前的背景下将被定义为操纵一个封闭空间的环境这一普遍的关系除了使人安逸的设备外,许多工业进程都依靠着一个稳固的大气层,如此以来,工程的分支则覆盖了一个相当大的应用范围取暖系统涉及到提高温度以达到高温环境通风系统则涉及到提供新鲜空气与抽出那些被污染或者含有杂质的空气空调系统则包含了取暖与通风系统的功能,而且还增加了降温功能,调节湿度与洁净空气,过滤灰尘,细菌与空气中的杂质在历史上,人们生火在自己周围取暖是最容易做到的,而且无疑的是木材是最初的燃料首先在洞穴中,由石器时代遗留下来的炉边能够说明,后来就在泥土或者是草地上生火发现木炭能够由木材制得,而且是一种无烟的燃料,这被看作在适当的地方的一个简单的进步那些地方仅仅需要适度取暖,如中国,日本,与地中海沿岸另外一个进展就是气孔与烟窗的出现首先是在屋顶中央开个简单的孔,而后来则连着壁炉,这种发明源于欧洲13世纪烟与汽水将不再蔓延于生活空间火炉在公元前600年在中国出现并使用它比壁炉更节约热量火炉从俄罗斯传到德国与欧洲的大部分国家及到今天它还在被使用,而且还是一家人的焦点地方火炉有横过大西洋进入美国在那里,本杰明・富兰克林于1744年改进发明设计,但其先行者却是那些传统的大腹便便的火炉将近于18世纪末期,首先对壁炉进行科学精制好像归功于物理学家本杰明.汤姆生计算rumfordo他的目的是在使用耐火粘土团与使用罩盖时提高明火的使用效率这两项设计减少了总的辐射热量由于他的办法并没有被同意,而导致严重的燃料浪费持续至今在烧火加热的同时对外部空间加热,这在现在被描叙为中央取暖系统,由希腊Lacedaemonians发明,同时第一个使用到加热楼板中在城市Ephesus中的大神殿被认为使用褐煤作为燃料,将暖气通过气孔导入地板中尽管希腊人认识到集中取暖的优点,但是罗马人才称得上古代最伟大的供暖技师他们发明了特殊的火坑供暖系统地板提升了底座,热气从熔炉中被导入地板下面空间暖气通过埋在墙里的中空的赤陶导管这一系统在整个欧洲都能够找到,可见当时罗马文化的繁荣在意大利,火坑供暖装置仅仅应用于浴室内在凉爽的地方如英国,则不仅仅应用于浴室,也用于起居室,与有的时候需要取暖的一些房间里如此科学技术的进展与精炼随着罗马帝国的衰弱与城市的毁灭而终止那些黑暗时期大概又回到了原始生活城堡与住宅使用那些如同原始人类一样粗糙地取暖,在通风良好的大厅的石板上用原木燃烧取暖依旧用庞大而繁重的兽皮保暖,这样持续了1500年后,舒适的罗马的火坑供暖系统被重新发现并用于现代城市在18世纪与19世纪初的工业革命出现了以蒸汽机作动力这也提供了新的取暖方法最初用于工厂与磨坊蒸汽在导管中输送被大规模用于取暖而不仅限于工业需求,还能够为学校,教堂,法院,议会大厅,甚至家庭与园艺的温室提供暖气蒸汽表面非常烫,导致在空中有烘烤似的作用,常常伴有燃烧残骸通常的异味,而用热水的优点在于有一个比较低的表面温度与比蒸汽更温与通常的影响它在1830年被同意第一套热水取暖系统安装在伦敦的新西大教堂医院,用这种方式取暖时,热水在低压下能不断地流向要紧的地方它利用散热器,对流暖炉,插入地板及天花板的取暖系统,用扇子将暖气分配到不一致的地方的方法在1831年,英格兰人JocobPerkins获得高压热水系统的革新方法的专利权这种系统就是通过一个卷成圈的连续循环的牢固导管接收从暖气炉的热量,运输水在一个封闭的系统绕圈配置在建筑中,在弯管中循环流淌这一系统获得了相当大的推广尽管它具有很高的温度,他的装备比那些用于低压设备中的大而重的铸铁导管相比显得小而整洁高压热水的原理它已经在一个现代的系统中复兴,它首先遍布欧洲,后来传向其他各地,要紧用于工业取暖大概直到19世纪才产生对封闭空间采取某种形式诱导通风的需要那时所建的集会礼堂剧院教堂要容纳数百甚至数千人在工业中,一些改良蒸汽的气压在汽油灯工作间的磨坊中作为动力,来抵消那些增大的却作废的比例矿井在最早时期的通风技术是使用在其通风口的最底部用暖气炉燃烧而一些建筑的最初通风系统就起源于上叙方法比如重建于1837年的伦敦NewHouses国会厅会场的空气排出便使用焦碳燃烧的方法早高高的通风口的最底部空间不停地保持燃烧那些保留哥特式建筑的外形特征的建筑却不再使用通风口新鲜空气从河岸的通风口吸入而室内空气通过出风口穿过国会大厅地板下的隧道而被导入泰吾土河中尽管旋转式的电扇早在16世纪就发明了,但从18世纪在工业中安装了蒸汽机驱动风扇以来,一直没有找到一种方便的动力供给,直到无所不在的电流的出现压力通风系统是一种早期通风道中的蒸汽管加热空气把供热与通风结合起来的方法其压力也是由蒸汽驱动的鼓风机提供热空气在压力的作用下通过管道被运输到建筑物的各个部位学校,医院与工厂都是采取这种方法取暖的蒸发冷却可能最初出现印度在那里人们把湿的草席挂在向风一边的空地上,结果能够冷却至11到17摄氏度,席子能够手工保湿或者在它上面穿孔,这样的系统利用了空调的一个最基本的原理“空调”这一专业名词的出现归功于StuartW.Cramer他在1907年向美国棉花制作商协会提交了一个关于纺织工厂湿度操纵的论文操纵纺织品的潮气等同于在大气中增加水蒸气,这很早就被认为是空调,但它却不是只是直到19n年,当WillisCarrier出版了他多年来的研究成果后具有科学基础的空调诞生了从空调的进展历史来看,从生产质量到空调设备一步,在19世纪20年代大剧院,大商场,与办公大楼上都安装了空调设备空调的经济价值是显著的空调的进展成为一个要紧的工业只是我们期待更新的冷却技术的出现在19世纪末期,取暖与通风系统的设计很大程度上是凭经验,科学方法的进展在19世纪90年代得到了改变,一战前,研究工作是由Belin-Charlottenburg大学与其它的一些部门担任战争过后,许多国家都开始了研究,特别在联合王国,美国,德国,瑞典与法国,所有的这些研究,使现代空调的影响不断提高第七课桥梁桥梁是跨越如河流、山谷这样障碍的一种建筑,从而提供交通便利,到目前为止,大部分桥梁都是公路桥或者铁路桥大量的高架桥于19世纪在欧洲建成,目的是保持其运河中船舶的航行最小的一座桥在纽约市的肯尼迪机场,它要紧是把滑行飞机拖到跑道上服务的人类建成的第一座桥类似于原始人在孤立地带建成的早期人类的工具与建筑技术如同原始人类一样都是最初级的他们只要通过最少的加工与安装即可建成在森林里,随处可得结实的木材与圆木,那时侯的桥极可能是由一根或者并排的几根圆木建成,可能在其上覆一些木枝或者草垫以方便行走处于热带地区的印度、非洲、与南美洲纤维藤被用来建成悬索桥,这些藤被系在小河或者山谷两边的树上或者岩石上一根或者更多的藤被踩在上面行走,其它的则排列在膏腴几英尺的地方,用作手扶用尽管藤索桥通常不稳固但有很多用incas建成藤索桥有足够的牢固与稳固性,被用于西班牙士兵与它们马匹的通行在岩石地区,石头被用来建桥,横跨河流以很小的间距布置石碓作为桥墩,然后用平坦的石头横过相邻的桥墩就建成连接两岸的通道,大部分的石桥就是这种类型,叫做鼓掌桥现在在Dartmoor.英格兰仍然可见,只是它们都建于中世纪甚至更晚原始桥梁的第一步变革被认为出现在中国古代,随后传入印度河床通常比树要宽,中国人与印度人在河流的中央建成两个树桩在这个结构的两端,用圆木的一端架在树桩上并微微向上倾斜使其每一层都比它下面的高几英尺为了增加稳固性,每个木桩在两岸都用一堆大而重的石头锚固;接近河中央,在河中间的两个木桩的两端则用简支梁连接在这种结构中,天然支架桥在两个自由杆的中间加桩后可达到很宽的跨度早在公元前4000年的Mesopotamia与在公元千300o年的埃及,用石头或者日光烤干的砖被用来安装重叠的横梁这种结构看起来像的拱,下部更平稳,被叫做突拱要使突拱变为更直的拱,它需要石头的内部构造适合光滑这种直拱比突拱更牢固,且早在公元前500年就被使用这种直石拱具有经济与经久耐用,它能够由许多静止在码头上的拱而跨过小的河流同时,它通常会经常出现,而它的质量比先前的任何结构都要好在中国与罗马的古代,这种整体石拱被广泛地用于桥梁结构它一直被广泛地使用直到19世纪这里有4类基本结构能够用作水面上的或者障碍物上的桥刚架桥、悬臂桥、拱桥、与悬索桥体系刚架桥最简单也可能是最早使用的-即刚架桥河流这样它的两端固定在相对的河岸这种刚架桥能够构成某种形状的木梁、钢筋混凝土梁或者更复杂的约束刚架桥这种类型的桥的跨度能够使用在中间建桥墩或者在峡谷建搁栅撑,再用几根横梁连接起来而增加跨度刚架桥的材料务必能够承担压力与拉力尽管它的名字叫曲梁,但实际上这种具有双重要求的杆能用于刚架桥上结果,梁弯曲较高的部分的压力比直的部分低一半以上,假如他的受压承载力太弱,它将会成扣环,假如受拉承载力太弱,他将会破坏悬臂桥在利用中间桥墩的长跨距桥中它通常是不可行的桥梁结构举个例子,在深而流速急的河流或者软泥中,可能很难建桥墩使它有足够深度达到基岩层在这种情况下,刚架桥结构用两根横梁就能够延伸从每岸伸出一根梁,而在两根梁的端部基础进行锚固这种简单的刚架桥结构更具有静定性,而每一根锚固的梁的这种基础结构就叫悬臂桥,或者许这种最简单而熟悉的悬臂桥例子便是跳水板在普通的悬臂式桥梁中,悬臂梁端部之间的间隙是闭合的,为道路提供了连续的桥面但是假如把这种桥梁在其闭合点断开,那么每一根悬臂梁都不需要另外设置支撑而可保持稳固通常悬臂梁中间间隙是闭合的既是刚架桥如此却使悬臂粮延伸了跨度悬索桥在没有中间桥墩的情况下比悬臂桥跨越更大的距离悬索桥的支撑体系是靠连续可弯曲的缆绳的两端的锚固,悬索桥最简单的例子是杂技场高空走钢丝杂技演员用的钢丝原始的悬索桥常常是一把很小的几根这样的钢丝系在一起来提供扶手与立足点的在水平公路上的现代悬索桥则是由缆绳悬吊在车行道两边的下面拱桥则是相反于悬索桥的作用,在那些悬索桥缆绳自由的提供支撑力的地方,拱桥却是从它的两端支柱固定的向上弯曲由于在形状上的不一致,悬索桥的缆绳的各点都趋向拉伸而拱桥的支柱的各处都趋于挤压由于这些原因,悬索桥的缆绳务必尽可能的防止延伸,饿拱桥材料则尽可能地抵抗压缩由于拱结构不一定要求材料具有抗拉强度,因此拱桥能够用砖或者石头建造,砖或者石头通过拱传递压力的特性结合在一起这种材料在其它的基本桥梁结构中却毫无用处在拱桥中,荷载由公路上垂直传递下来,直到拱形遭到破坏当拱遭到纯压而达到临界荷载时便会改变力的传递路径有压缩力的推力通过节点或者墩传到地面拱这种简单而优美的结构成为桥梁中的一种基本结构第八课桥的设计与构造规划现代重要的桥梁建造的第一步是广泛地研究确定桥梁的必要性比如假如是高速公路桥,在美国则是由州桥管理局研究规划并确定,在程序上会同当地的政府或者联邦政府一起,对要紧公路桥梁进行评估研究如在接近高速公路网上减少交通堵塞,对当地经济的影响与桥的造价这就决定了工程的投资方式,如公众收费,发行债券或者支付过桥费都被考虑进来假如研究认为其可行信,那么桥选址与占地问题将着手处理在这一点上,现场测绘工作开始进行,做好精确的实地测量;潮汐,洪水因素,水流与水路上的其他的特征都要认真研究,在陆地与水下的泥土与岩石的钻孔取样都尽可能地在基础处进行桥梁设计的选择决定把桥建成梁,悬臂,桁架,拱,悬索或者其他类型结构的要紧因素是
(1)地点,如跨越河流;
(2)目的,如建桥为了方便交通;
(3)跨度;
(4)可用的材料;
(5)花费;
(6)美观与与谐性在一定范围的跨度内,每种结构的都有最大的作用与经济如下表所示:上表说明了许多类型的适用性有相当多的重叠在一些实例中,在不一致的初步设计中,用来比较不一致类型的桥结构是为了在最后有最好的选择材料的选择桥梁设计者能选用大量的现代高强材料,包含混泥土,钢筋,与多种耐腐蚀的合金拿Varian-Narrows大桥来说,设计者使用了七种不一致的合金钢,其中之一的合金的屈服强度为50000英镑每平方英寸(3115kg/citf),而且不需要油漆保护,由于有一种氧化膜覆盖在它的表面而防止腐蚀设计者还选用钢丝绳作为缆绳,它的抗拉强度超过25()()()0英镑每平方英寸(17577kg/cm2)抗压强度高达8000英镑每平方英尺
562.5kg/cmO的混泥土现在被生产用作桥梁工程,而且它在增加特殊化学物质后具有很高的抗脆裂性能与抗风化性能,这种混泥土被用作预应力碎,而且其加强了钢丝绳的抗拉强度,其强度达到250000英镑每平方英寸17577kg/cm2桥梁的其它使用材料还铝合金与木材现在的铝合金的屈服强度超过了40000每平方英寸2818kg/cm2o把木材碾成细长的薄片,然后用胶水粘在一起而做成的梁是自然木材强度的二倍比如用南部松树而胶结的梁能承受的工作应力达到了3000英镑每英寸
210.9kg/cnf应力分析一座桥要抵抗一系列的合力,如拉力,压力,剪力与扭力另外,结构还需要一定的安全储备一保不足对结构进行精确计算各类单独的压力与拉力,这就叫应力分析这或者许是桥梁建设中最复杂的技术应力分析的目的是为了确定作用在结构上的里的数量作用在桥梁结构的应力都能够分为二类荷载动荷载与静荷载静荷载一一即桥结构本身不变的重量一一它往往也是最大的荷载动荷载或者静荷载有很多,包含桥面上的机动车,风荷载,与积冰积雪荷载尽管随时在桥面上移动的机动车的总重量相当于静荷载与动荷载来说是一个很少的部分,而对设计者来说,由于机动车辆产生的振动与冲击压力而会出现特殊问题比如在路面上机动车的不规则的运动或者碰撞对桥面产生短暂而影响加倍的活荷载而导致严重的影响风在桥上的施加的里即直接敲打桥结构又间接的敲打在桥面上的通行的车辆假如出现空气弹性振动,在这种情况下的TacomaNarrows大桥的风作用被大大地增大,由于这种危险的存在,桥的设计者在桥址务必明白所能发生的最大的风还有其它的力作用在桥上,如地震产生的压力也务必注意对桥墩的设计通要给予特殊的关注,由于桥墩承担水流,浮冰与漂浮物而产生的重荷,桥墩通常还有被船撞击的可能电脑在应力分析上协助桥梁设计者,并扮演一个很重要的角色用一个精确的模型试验,特别对桥的动力的活动状态的研究也能够帮助设计者一个小比例的桥模结构中,对桥模各处的应力,加速度与变形都能够进行精确测量桥模这时能够承受同样比例的荷载与动力条件来分析桥的变化风洞试验也能够确保不再发生TacomaNarrows大桥的失败在现代技术的帮助下,桥梁事故出现的机会将大大少于往常建筑基础建筑物都是从基础开始的,基础的花费几乎大大超过上层建筑水下基础通常会遇到很大的困难,有个古老的方法常被用于浅水中,即在小范围内垂直围堰而建桥墩罗马人常用这种方法在深水中建基础通常用沉箱法沉箱是一个底部开口其余封闭的大盒子而沉入河床上,工人们在为挡水而充满压缩空气的沉箱里,越挖越深,沉箱也跟着下沉当达到合适的深度后在箱内填入混泥土而成为基础在深水中建基础的另一种方法比沉箱法更安全与更低的成本,用于钢或者混泥土桥墩在现代的打桩工具下把重桩打入深水中,桩能够在水面或者水下截断或者做成桩帽如在水下把它们做成桩帽可把一根预制空心桩浮运到做成承台桩的那一点,然后从空心桩套内灌入混泥土建设上层建筑当所有的桩与支柱建好后,则上部结构开始建筑结构的建设方法有很多种类,共有六类建造方法脚手架,浮运,悬臂,滑移,直升与悬挂法在用脚手架建造时,要紧用来建混泥土拱桥金属或者木支撑都是临时搭设为竖直支撑脚手架都是根据需要而灵活搭建的特别结构在激流回深谷上时,临时桥墩与站桥通常使用在宽而浅的河上浮运法要紧用来建很长的桥梁主桥部分是在河岸预制的,然后用驳船浮移到桥梁位置用浮吊起重机或者卷扬机把该部分精确吊到大桥的建设部位悬臂技术不仅用于悬臂桥中,也用于刚拱桥上,先建成一个桥台,然后一步步延伸到中央,起重机与吊车能够完成着仪繁重物在结构上的操作滑移法建筑很少用到这种方法,如一个预制构件或者一个组合结构在竖立的支柱上,滑过临时或者永久性的支撑,直到它进入安装的另一个支撑直升法要紧用于轻质小跨度的公路桥每一个预制桥单元被垂直悬起并旋转到桥梁支撑点上在由悬挂法建设的桥梁中,一串缆绳连接俩边的桥头堡,被用作桥面支撑点开始的桥面施工却在在桥梁施工的最后,而且是由俩端向中央进展移动吊车在已完成的桥面上移动,用来运送重材,悬挂钢缆,有的时候在其他类型的桥梁中被用来在全跨上运输材料所有的建筑方法在施工阶段都需要验算应力与变形,在用悬臂梁法施工的桥梁中,由于完全不一致的支撑与荷载条件,未竣工桥梁内的应力可能会超过已竣工桥梁内的应力当公路的铺装,标志,灯光,护栏与附属设施完成后,桥梁就准备投入使用了第九课海港与海上工程海港与海上的建筑工作比城市设计有更多不平常的问题与富有挑战性,连续宽广的大海是自然界最不知疲劳,最有气势与具有强大的自然力,为工程师提供一个对手去发现在海洋中的建筑的任何弱点或者缺点,而却防止它们海事工程的目的这些广泛进行的工程要紧目的有两类水面运输,围海造陆或者河道管理在第一批进行的工程直接用于为水陆交通工具中的货物与乘客转移提安全而经济的设施渔港的出现分配着大海的资源为轮船与水型飞机提供了安全岛,是船舶的停泊处或者是私人水飞机的降落处围海造陆与河道管理是致力于防止海洋对陆地侵蚀恢复与改造海洋所占用土地与保护江河入海口以作为内陆径流排放的有效措施这样的工程在很多地方,由于没有连续保护,大浪与暴雨一起将导致居民区的洪灾经常发生土木工程技术所有的工程都有很多广泛的相同实际上要认出在同一时期经常出现相似的工程的不一致特征比如要紧河道清淤至足够的深度的工作即有利于通航,同时也能增加上游洪水的泄洪能力水力模型海边土建工程的计划取决于运输,围海造陆,河道管理是否促进进展技术模型的研究,曾经认为科技是不必要的,这些研究说明必不可少的第一步是对任何港口或者沿海地区进行再开发,去做有用的即使是非常小的更换或者增加地区,海港,河口被做成缩尺模型因此水不以被所有工作的进度表,订购工作所需要的材料与设备,雇佣承包商与分包商,还要做些额外的监督工作以确保工程能按时按质完成贯穿任何给定项目,土木工程师都需要大量使用计算机计算机用于设计工程中使用的多数元件(即计算机辅助设计,或者者CAD)并对其进行管理计算机成为了现代土木工程师的必备品,由于它使得工程师能有效地掌控所需的大量数据从而确定建造一项工程的最佳方法结构工程学在这一专业领域,土木工程师规划设计各类类型的结构,包含桥梁,大坝,发电r设备支撑,海面上的特殊结构,美国太空计划,发射塔,庞大的天文与无线电望远镜,与许多其他种类的项目结构工程师应用计算机确定一个结构务必承受的力自重,风荷载与飓风荷载,建筑材料温度变化引起的胀缩,与地震荷载他们也需确定不一致种材料如钢筋,混凝土,塑料•,石头,沥青,砖,铝或者其他建筑材料等的复合作用水利工程学土木工程师在这一领域要紧处理水的物理操纵方面的种种问题他们的项目用于帮助预防洪水灾害,提供城市用水与灌溉用水,管理操纵河流与水流物,保护河滩及其他滨水设施此外,他们设计与保护海港,运河与水闸,建造大型水利大坝与小型坝,与各类类型的围堰,帮助设计海上结构同时确定结构的位置对航行影响岩土工程学专业于这个领域的土木工程师对支撑结构并影响结构行为的土壤与岩石的特性进行分析他们计算建筑与其他结构由于自重压力可能引起的沉降,并采取措施使之减少到最小他们也需计算并确定如何加强斜坡与填充物的稳固性与如何保护结构免受地震与地下水的影响环境工程学在这一工程学分支中,土木工程师设计,建造并监视系统以提供安全的饮用水,同时预防与操纵地表与地下水资源供给的污染他们也设计,建造并监视工程以操纵甚至消除对土地与空气的污染他们建造供水与废水处理厂,设计空气净化器与其他设备以最小化甚至消除由工业加工、焚化及其他产烟生产活动引起的空气污染他们也使用建造特殊倾倒地点或者使用有毒有害物中与剂的措施来操纵有毒有害废弃物止匕外,工程师还对垃圾掩埋进行设计与管理以预防其对周围环境造成污染交通工程学从事这一专业领域的土木工程师建造能够确保人与货物安全高效运行的设施他们专门研究各类类型运输设施的设计与保护,如公路与街道,公共交通系统,铁路与飞机场,港口与海港交通工程师应用技术知识及考虑经济,政治与社会因素来设计每一个项目他们的工作与城市规划者十分相似,由于交通运输系统的质量直接关系到社区的质量渠道工程学在土木工程学的这一支链中,土木工程师建造渠道与运送从煤泥浆(混合的煤与水)与半流体废污,到水、石油与多种类型的高度可燃与不可燃的气体中分离出来的液体,气体与固体的有关设备工程师决定渠道的设计,项目所处地区务必考虑到的经济性与环境因素,与所使用材料的类型一一钢、混凝土、塑料、或者多种材料的复合一一的安装技术,测试渠道强度的方法引导如同潮汐与其他的潮流一样,在同一方向以相同速率处在同一个地方各类设备通常都是电子操纵,被进展以海浪与潮汐为动力用来生产这个试验的可贵之处在于引出了在比例上减少被发现相当于鲜少模型尺寸的比例这样以来,苏格兰的ClydeEstuary工程的巨大模型在14分钟的潮汐循环中或者大约50次的实际潮汐次数三年潮汐的影响使海港的数据图表也随着更换,假如在时间为三周的试验中对模型的研究,那么任何其他的潮流在非预期内的冲刷或者淤泥可能被查出来这种价值关系对改变位置的防堤提供保护同样能够被研究利用波浪生成设备,发现次要的或者不利的影响在受保护的区域,波浪因带来混乱而不受欢迎,这是能够预料甚至还是抢先的天然港口与人造港口在世界的海岸线中确实存在着偏见,自然界为人类提供的港湾仅仅等待使用比如纽约湾,探险者GiouvannidaVerrazano称纽约是庇护船只“最满意的地方”,像进口,港湾,出可能需要先进的挖泥机,当然还务必修建港口结构,但最要紧的是这些都保持着自然形成状态,而且它们对世界上许多大城市来说,其存在非常重要由于像这些天然的海港并不是经常需要通常的家们设计的人造海港那样的港口设备在一个人工海港的创建中,最要紧的结构设施是防浪堤,有的时候候也叫防波堤,或者者掘地道,其要紧作用是保持近海岸的海水平静,人工海港的位置当然应该选择在有潜能的海岸的突出部位;也能够偏于略微缩进一些因此,常常出于经济性或者都战略性考虑,通常会沿着不太隐蔽的海岸线的陆地上修建防浪堤围住一些区域,建造纯粹的港口,只留很窄通道作为船只的进出口海港的要紧工作远古时代,从事海港的工作是改善改进天然海港与人造港口的结构还没有确定性的证据记载第一座人造海港构造的日期与地点,但是人们都明白,公元前13世纪Phoencians在Sidon与Tyre就修建了港口目前的工程师们很少懂得或者者思考关于对他们自己修建的港口进行保护甚至应用证据是我们所看到的Mediterranean四周曾经很繁荣的港口,如今不仅仅成为了静静的废墟,取而代之的是那些随时地跟进的繁殖力极强的冲积陆地所占领,而且远远望去那海的景象很难想象得出那种场景能够适于远航轮船的定锚AsiaMinor的在Aegean陆地上的港口如EphesusPrience与Miletus像这种类型的港口如今都消失了,每一种这样的情景都破坏了美丽如画的Meander河(现在叫Menderes河),这关于那些努力在河流出海处相邻的高地上创建新的陆地的人们来说不失为一件惬意的情况在朝向Cyprus岛的一边,保留着一座古老的防波堤,建成用来保护泊船点的它至今可见但是在防波堤与海岸线之间的被围区域意识已经是很窄了在这个事例中,淤泥沉积不仅是由于临近河流的作用,而且沿岸流也起了部分作用,沿岸流是一种平行于海岸的水流,其作用是使东西海岸广阔的海岸得以产生与存在许多古代的港口建筑已经没有踪迹可寻了,但是在他们时代的那些知识甚至技术说明都被记载下来而流传至今,这些说明与遗址都被储存下来,古时候的从事海港工作的土木工程师的一些图纸也被储存下来他们最开始考虑的是为了给那些脆弱的船提供保护,使其不受气候影响但更重要的作用是那些建筑物的奉献,如防波堤,通道及保护结构大量的廉价劳动力与用天然石材为要紧材料用这种方法建成之后看起来如同更快来低价的现代建筑只是它并不带着刻意的目的去不断修建的古代工程师的功劳提供那些他们往常用过的材料与他们已经实现的目的他们可能会做得更小止匕外,由于他们没有那么快速的步伐去反战更好的船运或者陆路运输,他们还没有被荒废的阴影扰乱在20世纪,港口工程师不是想要建造永恒的结构,而是要注意避免强加于子孙后代也许由于牢固耐用反而变成负担的结构现代在过渡耐用与脆弱危险的材料用于那些等级非凡的古老海事建筑,他们强调增加美化,如雕像与凯旋门横切技术的实践包含在隧道与防护堤中的罗马半圆式半圆拱与分布在那些同意海水进出的以便于清洗海港中的设备的地方罗马人常使用村庄与经常借助围堰建筑加固他们的建筑,以至于他们能运用阿基米德螺旋与水轮这些实践能使他们在干旱区展开很多基础工作,与利用它们非常著名的波特兰水泥,使他们的建筑无非常耐用波特兰水泥也是有他们的前辈石灰水泥进展而成的第十课大坝大坝是横跨小溪,河流或者河口用于蓄水的建筑他的目的是为了提供人类用水,灌溉与工业用水;削减洪峰,增加蓄水发电能力;或者者增加河道深度以有利于航运还有一个附带效果就是能提供游乐的湖泊大坝的一些辅助功能包含溢洪道,水闸,或者利用阀门操纵从大坝中排出过剩的水到下游;吸水结构引水到发电站或者运河,隧道,或者渠道用于更远距离的使用供应从蓄水池中抽出泥沙;同时还要同意轮船与鱼类通过大坝大坝因此在操纵蓄水目标体系中成了中心建筑在不发达国家中大坝更具特殊重要性,在一个小国家能够从一个简单的大坝中获得巨大的农业与工业利益大坝从外形与建筑材料能够分成几个不一致的等级,建哪一类型的大坝的结论很大程度要根据山谷的基础条件与能够使用的建筑材料基本的所选的材料是混泥土,泥与碎石大部分大坝在过去建设中使用有接缝的石木术,但是这种做法已完全被废弃了混泥土大坝的整体形式在侧面上有很多类根据水压程度利用结构自重或者使用横跨山谷由俩边峡谷支撑的水平横拱来抵抗侧向位移大坝设计的基本问题大部分被分为两个基本类型masony与embankmentM坝是用来在峡谷的峡谷中横跨河流,如在群山中这类坝可能非常高,但所需的总体材料受到限制E坝用于宽的河流上建一座大坝需要足够多的材料选择M或者E坝与精确地设计都可依靠这一位置的地质情况与构造,大坝的基础与成本因素地质的研窕与试验,坝址研究包含沉降试验与地层的钻孔测试用竖井与坑道补充钻孔试验,由于它们的成本务必尽可能地节约在竖井的坑道试验中能够测出强度,弹力,渗透系数与地层的压力分布,还务必重视那些更结实的基础中的薄的分离或者间隔地区的特性存在的地下水对大坝的建筑材料的有害的化学溶解务必评定建筑原料需要试验假如连续增加高度,基础条件的研究也越来越重要模型试验在大坝的结构抗震与水力设计中扮演一个要紧角色结构模型在分析拱形大坝与检验分析压力计算有特殊的用途各类材料都将被用于模型试验中,在Hoover大坝的一些早期试验,常利用橡胶,这需要在复杂模型中准确复制应力样本,模型要符合使用低弹型材料从主观上来看,大坝模型本身就是未来的设计,说明了建成模型用来记录在荷载下的活动,建筑材料所受的拉力,温度与压力改变与基本安装的其他因素,在研究成果下,结构可能出现的,但是它们的价值在于证实了设计的假设,这是重要的数字电脑已经同意考虑高级的分析方法设计,它处理大量的数据与解答多组包含许多变量的联立方程的能力使得有限元分析是可行的用这种方法,一个复杂结构被分为许多单独的平衡条件,而且所有拉力都具有兼容性,这样能够对整个结构的压力的分布进行完整地分析材料问题大坝的两种基本材料混凝土与泥域填石在大坝的正确设计中都有一个弱点需要被克服混凝土的弱点,混凝土的弱点在于抗拉强度,由于它很容易被拉裂,混凝土大坝因此要被设计承受最小拉应力与利用混凝土大的压应力或者尽可能地承受垂直荷载由于晶体结构对水的汲取,水在空气中的蒸发与从水泥水化过程中产生的高温冷却,混凝土的要紧成分---水泥,在凝固与硬化时要收缩由于大量混凝土用于大坝上,收缩而出现严重裂缝的危险大量便利的方法被用于解决这个问题,混凝土常被分层限厚浇筑,裂口被用来散发热量而被最后浇筑低热水泥也被使用还有混合特殊添加剂而使散热变得迟缓在大坝内部混凝土中的水泥要做到安全而量少也就是能满足强度,其次能抵抗气候与化学侵蚀能满足用于大石块中的水泥能够减少用量另外一个好的办法是用级配好的材料,如粉煤灰(研磨后的燃料)作为填料能够减少混凝土的水泥用量另外就是使用增加添加剂表面活性剂与加气剂都被同意用于低水灰比的混凝土用冰代替水的技巧增加了冷却速度////混合或者用循环水通过埋入混凝土中的导管而用利用直空抽出其表面过剩的水土与岩块的弱点土与岩块不具备混凝土的强度,可渗透性大,抗流水损坏与干扰的能力差,这些缺点能够由低成本与能用合适填入在大坝基础因运动毁坏的地方假如能得到足够的土用于坝址的合拢在光山区域,它可能比堤坝更需要采石场的岩石与构造岩石土填当然是最经济的,也常适合用于借土合拢坝址土由固体物质,水与空气构成,土受荷而压缩,如出现在大坝建筑,排出水与空气导致增加固体物质间的压力,当有很高的渗透比时,土趋向于产生不一致的压力与达到临界状态,这时它的状态如同液体假如达不到这个条件,通常它的结构会变弱,而且逐步进行计算结构地震问题大部分大坝都建在世界上地震活动地带,包含日本,美国西部,新西兰,喜马拉雅山与中东,在1968年,在HonShu的ToKachi大地震中毁坏了93座大坝,在日本主岛,所有的堤坝高度都相对较小尽管针对地震活动分布,强地震运动的量测水坝对这种运动的反应做了大量工作,水坝的地震设计依然不够精确,强的地质运动特征给坝址带来很多预料性而且不完善的弹力分析与不严格的衰减分析使所有类型的大坝都具有一些自由度,只是,电脑计算与模型试验都得到了相当大的进展,现在还能够计算大坝在任何地质运动下的反应在Tang-eSdegman大坝与南非的HendriKVerwoerd大坝上使用过,也能够从理论估计中预先考虑地质活动对堤坝的影响与操纵所运送流体材料保持适当的压力与流速当流体中携带危险材料时,安全性因素也需要被考虑建筑工程学土木工程师在这个领域中从开始到结束监督项目的建筑他们,有的时候被称之项目工程师,应用技术与管理技能,包含建筑工艺,规划,组织,财务,与操作项目建设的知识事实上,他们协调工程中每个人的活动测量员,布置与建造临时道路与斜坡,开挖基础,支模板与浇注混凝土的工人,与钢筋工人这些工程师也向结构的业主提供进度计划报告社区与城市规划从事土木工程这一方面的工程师可能规划与进展一个城市中的社区,或者整个城市此规划中所包含的远远不仅仅为工程因素,土地的开发使用与自然资源环境的,社会的与经济的因素也是要紧的成分这些土木工程师对公共建设工程的规划与私人建筑的进展进行协调他们评估所需的设施,包含街道,公路,公共运输系统,机场,港口,给排水与污水处理系统,公共建筑,公园,与娱乐及其他设施以保证社会,经济与环境地协调进展信息来定位与设计工程项目这一方面包含高工艺学方法,如卫星成相,航拍,与计算机成相来自人造卫星的无线电信号,通过激光与音波柱扫描被转换为地图,为隧道钻孔,建造高速公路与大坝,绘制洪水操纵与灌溉方案,定位可能影响建筑项目的地下岩石构成,与许多其他建筑用途提供更精准的测量其他的专门项目还有两个并不完全在土木工程范围里面但对训练相当重要的附加的专门项目是工程管理与工程教学工程管理许多土木工程师都选择最终通向管理的职业其他则能让他们的事业从管理位置开始土木工程管理者结合技术上的知识与一种组织能力来协调劳动力,材料,机械与钱这些工程师可能工作在政府一一市政、国家、州或者联邦;在美国陆军军团作为军队或者平民的管理工程师;或者在半自治地区,城市主管当局或者相似的组织他们也可能管理规模为从几个到百个雇员的私营工程公司工程教学通常选择教学事业的土木工程师教授研究生与本科生技术上的专门项目许多从事教学的土木工程师参与会导致建筑材料与施工方法技术革新的基础研究多数也担任工程项目或者技术领域的顾问,与要紧项目的代理第二课建筑物与建筑学建筑物的目的是给人类的活动提供一个遮风挡雨的地方从穴居时代到现在,人类的第一需要最基本的就是有一个能够遮风避雨之所在一个比较通常的感受中,建筑物的艺术包含人类试图操纵环境与直接自然力以满足需要所取得的所有成就除建筑物外,这种艺术还包含大坝,运河,隧道沟渠与桥遮风避雨的建筑物的设计与其他功用的土木工程结构的设计的科学基础原理是相同的而只是由于现代社会特定的需要,这两个领域才沿着不一致的路径进展相似的,关注作为遮风避雨的建筑物的要紧营造者也不再是一个单独的个体;相反的是由多个专家构成的小组规划师,建筑师,工程师与建造者一个现代建筑物的实现依靠这个小组集体的智慧建筑物的结构是建筑物的功能、环境及各类社会经济因素共同作用的产物公寓,办公大楼与学校的不一致在于它们实现的功能不一致公寓的每一个可居住空间如起居室与卧室务必有来自窗户的自然光,而浴室与厨房能够使用人造光源因而能够安排在建筑物内部这种必要的设置对公寓的进深必定有限制另一方面,对办公大楼而言,人造光源更能达到均匀照明的要求,因此,对自然光的需求不再有建筑物进深的限制环境可能影响到建筑物的形状与外观城市里的学校通过使用空白的围墙完全的封闭于城市之外,而乡村的学校可能进展成为景观的一个要紧部分,即使两者实现同样的功能最后,建筑物的结构被各类社会经济因素影响,包含地价,租赁,工程预算,分区限制城市的高地价造成高层建筑物,而乡村的低地价造成低的建筑物富人的住房建筑计划不一致于廉价的住房建筑计划有威望的办公大楼的预算将大大地超过其他的办公大楼建筑物的大小与外形可能受到分区的限制在所有这些例子中,有着相似功能的建筑物常常使用不一致的结构建筑学是建筑物的艺术事实上所有的建筑学都是关于为了人类的使用而围住的空间在任何特殊的建筑物中所覆盖的精确活动一一广泛到从工厂的一条装配线到一个家庭的起居室一一应该规定几个内部区域的大小与形状这些空间也务必被安排在彼此合乎一定逻辑的关系中此外,在建筑物中的人类活动一一建筑学中的说法是“流通”一一需要大厅,楼梯与电梯,它们的尺寸受到预期荷载的支配建筑物的结构平面图,总是建筑师的第一考虑,是深入实现建筑物意图的空间组织中的这些不一致目的的决定好的平面组织能够指引访客到达他们的在建筑物中的目的地同时使他们留下印象他们也许是下意识地被大厦很显然的各个单元的关联所指引相反地,不好的平面组织将带来不便,浪费与视觉混乱止匕外,一个结构需要很好地被建造它应该有结构需要的与被选材料同意的耐久性建筑学的未经加工的材料,如石,石专,木,钢或者玻璃,部分决定了建筑物的结构并对建筑物进行表达石能抵抗压缩,尽管一起压挤的力几乎是不能确定的在一个实验室里压碎石是可能,但是关于实际应用,它的抗压强度则是无限的另一方面,石在抵抗各向拉力方面是很弱的任何空间跨度的梁在支承之间容易向下弯曲,梁的下半区承受拉力由于石承受拉力的能力很弱,这种材料的梁相对地比较短,同时支撑间距比较小此外,石柱务必牢固,其高宽比极少超过10在石类建筑中门,窗及柱之间的空间几乎都被迫高大于宽,这源于石的垂直矩形美学石在西方世界建筑学中占有如此之高的统治地位,以致,即使在木结构建筑时期其适当的造型一直被妥善保护着,像在美国的乔治王时代然后,石借助它本身的构造类型,成为支撑楼板与屋顶的墙,成为承重结构中的密排柱,成为要紧承受压力的拱形结构木是一种纤维材料,相比其抵抗压力的能力而言,它更易于抵抗拉力木制梁可能相对比石制梁长,同时木制柱较细且能够广泛地作一定间隔的排列由于木的自然性质常形成宽大于高的水平矩形,这在日本建筑学中常被见到钢的抗拉强度也等于或者大于其抗压强度已经观察过钢结构建筑物建筑过程的任何人一定曾注意到由细的广泛地作一定间距排列的柱及每个楼板的长梁所构成的水平格状矩形木与钢的性质意味着框架结构个支撑楼板与屋顶的骨架一一任何的铺面材料都可能是必需的木与钢也准许悬臂结构,在这种结构中,梁的投影超出支承的最后一个测点最后,建筑学不仅务必超过符合强度与空间的实际需要,它也一定要使人得到精神满足建筑物应该使每一个零部件形成一个美学的统一体因此,结构的侧面与背面应该与正面具有足够的一致性,能够使所有有关部分成为一个独立的整体同样地,大部分的内部分区也需要在外部设计上有所表现正殿,甬道,袖廊,半圆形壁龛,而且辐射哥德式大教堂的小礼拜堂,举例来说,全部是在外部上看得见的,因此访客在潜在意识里意识到他们将在里面找到什么建筑要求有恰当的比例,即令人愉快的虚与实、高与宽、长与宽的关系人类已经作过许多尝试用数学公式来解释好多比例,如黄金分割然而,这些努力并没有被广泛同意,尽管在设计各处透过一些尺寸(举例来说,一个模数是一个柱的直径一半)的复测法已经收到很好的结果这种复测法帮助提出了人类思想渴望的可视规则一个建筑物还应该有建筑师称作的比例尺,它应该能在视觉上传达它的真实尺寸如长椅、台阶或者楼梯栏杆等元素,尽管由于它们特别的原因在大小方面有些微可变,但仍然与人类的正常尺度有关它们因此也几乎不可察觉地成为精确计量整个大厦尺度的测量单位因这些单位对整个建筑物而言太小,因此还需要其他中间尺度的元素楼梯与一个楼梯栏杆可能给门口的尺寸一个提示,依次是柱廊的高度,最后是整个的结构廊凡尔赛的PetitTrianon在比例尺方面相当完美罗马的圣彼得堡由于缺少小元素而让人很难感知它的巨大尽管全装饰在一些现代的建筑中被拒绝,但它过去由于固有的美或者为了强调建筑物的一些重点而常被使用装饰品可能用于突出建筑物的特征与建筑物目的的可视化表现因此,一个银行要看起来像银行,一个教堂也应该同样地能够被立刻确认理想地,任何建筑物应该通过与它建筑上的邻居的一些关系与地方地理学上看起来属于它的位置通过建筑学目的的成型,再受材料、比例与设计者给定的比例尺与特征支配,建筑物成为建造它们的时代的理想的表达与热望历史性建筑学的连续性式样是他们的时代精神的化身第三课建筑物的构成材料与不一致的结构形式联合构成建筑物的各类不一致部分,包含承重框架,外壳,楼板与隔墙建筑物也有像升降机,供暖与冷却,照明这样的与机械与电力有关的系统上部结构是建筑物地面以上的部分,而下部结构与基础则是建筑物地面下列的部分摩天大楼的出现得益于19世纪的两大进展钢骨架结构与旅客升降机钢,作为一种建筑材料,源于1885年贝色麦转炉的引入GustaveEiffel1832-1932将钢结构引入法国1889年巴黎展览会的塔与他为Gdleriedes机械的设计表现了钢结构的灵活性艾菲尔铁塔高984英尺300米,是人类建造的最高的结构,直到40年后才被美国一系列的摩天大楼超越第一个升降机是在1857年被ElishaOtis安装于纽约的一幢百货公司在1889年,Eiffel在艾菲尔铁塔上安装了第一个大尺寸的升降机,它的水力升降机能在一个小时内运送2350个旅客到达顶点承重框架直到19世纪晚期,建筑物外墙被用作支承楼板的承重墙这种结构本质上一种梁柱模型,同时仍然被用于房屋框架结构承重墙结构由于需要巨大的墙厚而限制了建筑物的高度比如,芝加哥建于19世纪80年代16层的Monadnock大厦,较下层的楼板下的墙厚达5英尺
1.5米在1883年WilliamLeBaronJenney1832-1907使用铸铁柱支撑楼板的方式以形成笼状结构由钢梁与钢柱构成的骨架构造最早用于1889年由于骨架构造,围墙变成一个“幕墙”,胜于起支撑作用砖石一直被用作幕墙材料,直到20世纪30年代,轻金属与玻璃幕墙开始被使用在钢结构引入后,建筑物的高度持续快速地增加在二次世界大战前,所有的高层建筑都是使用钢结构战后,钢材的短缺与混凝土质量的改良导致钢筋混凝土高层建筑的出现芝加哥的Marina塔
(1962)是美国最高的混凝土建筑它的高度达588英尺(179米),被伦敦的高达650英尺(198米)的邮政大厦与其他塔式建筑所超越关于摩天大楼构造观点的转变恢复了承重墙的使用在纽约城由EeroSaarinen于1962年设计的哥伦比亚广播系统大楼,有一个由5英尺(
1.5米)宽,相邻柱的中心距为10英尺(3米)的混凝土柱构成的环形墙这个环形墙实际上有效地构成了一个承重墙产生这种趋向的一个理由是,使用建筑物的墙壁作为一个筒体,能够非常经济地获得起到抗风作用的足够硬度世界贸易大厦是这种筒体方法的另一个例证相反地,刚性框架或者垂直的桁架通常被用于提供侧向稳固性外壳建筑物的外壳由透明元素(窗)与不透明元素(墙)所构成尽管塑料正在被使用窗传统上还是使用玻璃,特别是在学校,破旧产生了一个保护问题用于覆盖结构并由结构支撑的墙元素由多种材料建造砖,预制构件,混凝土,石,不透明玻璃,塑料,钢与铝木要紧被用于房屋建筑,由于有火灾的危险,它通常不用于商业,工业与公用建筑楼板建筑物中楼板的构造依靠于所使用的基本结构框架在钢结构中,楼板或者是搁置在钢梁上的混凝土板,或者是表面附有混凝土的波状钢构成的凹板在混凝土结构中,楼板或者是搁置在混凝土梁上的混凝土板,或者是一系列顶端有一个薄板双向都近距离排列的混凝土梁,在其下部提供了一个多余的空间这种类型的板的使用依靠于支撑柱或者墙间的跨度与空间的功能比如,在公寓中,当墙与柱的间距在12英尺到18英尺(
3.7米到
5.5米),最常用的结构是无梁的实心混凝土板这种板的下部能够用作其下层空间的天花板办公大楼中常使用波纹钢楼板,这是由于波纹钢楼板的波纹当由另一块金属板盖上时,能够形成电话线与电线通道机械与电力系统一个现代建筑不仅包含它所需要的空间(办公室,教室,公寓),还包含帮助提供舒适环境的机械与电力系统的辅助空间在摩天办公大楼中,这些辅助空间可能构成总建筑面积的25%在办公大楼中,供暖,通风,电力与卫生管道系统的重要性表达在工程预算的40%被分配给它们由于使用带有不能开窗的密封性建筑屋的增加,精细的机械系统被用于通风与空调渠道与管道携带来自中央风扇室与空气调节机的新鲜空气悬吊在上部楼板结构下面的天花板,隐藏着管道系统,还包含照明设备用于动力与电话通讯的电力配线,也被安置在天花板空间内,或者被埋置在楼板结构中的管道内已经有种种尝试将机械与电力系统通过坦白地表达它们以合并到建筑物的建筑学中举例来说,在爱荷华州首府得梅因的美国共与保险公司大楼
(1965)管道与楼板结构以一种有组织与优雅的形式暴露在外,用吊顶进行分配这种方法使得减少建筑物的花费成为可能,同时能够同意改革,比如在结构的跨度方面地基与基础所有的建筑物都支撑在地面上,因此,土体的性质成为任何建筑设计中极端重要的考虑因素基础的设计依靠于许多土体的要素,如土的类型,土壤的层理,土层的厚度与它的压缩性,与地下水的状态土壤很少有一个单一的成分它们通常是不一致厚度土层的混合物为了评估,土壤被按照颗粒大小分为不一致等级,它们从淤泥到粘土到砂到砂砾到岩石依次增加大体上,较大颗粒土的负载能力将会强于较小的一些最硬的岩石能够高达每平方英尺100吨(每平方米
976.5公吨)的负载,但是最软的淤泥所能承受的负载只有每平方英尺
0.25吨(每平方米
2.44公吨)所有表面下列的土都处在受压状态中,说得更精确一些,这些土承受与作用在其上的土柱重量相等的压力许多土(除了大多数的砂与砾石以外)显示出弹性性质一一在荷载作用下受压变形,当荷载解除后能够回弹土壤的弹性常常依靠于时间,也就是说,土的变形可能发生在荷载作用后从数分钟到数年的时间长度上超过一个时段,假如建筑物作用在土体上的负载高于土的天然压实重量,它可能产生沉降相反地,假如建筑物作用在土体上的负载小于土体的天然压实重量,它可能隆起土也可能在建筑物自重作用下产生流淌,就是说,它很容易被压挤出由于压实与流淌效应,建筑物趋向于沉降比如比萨与博洛尼亚的斜塔,不均匀沉降能产生破坏效果一一建筑物可能倾斜,外墙与隔墙可能产生裂缝,窗户与门可能够变得不起作用,同时极端的情况是建筑物可能倒塌尽管在某些极端条件下,像墨西哥城的情况,能产生严重的后果,但是不均匀沉降并不是那么严重过去100年以来,那里地下水水位的变化已经使一些建筑物沉降超过10英尺(3米)由于这种运动能发生在施工工程中与其后,认真分析在建筑物下土的行为显得非常重要土的巨大的可变性导致基础问题多样的解决方法在地表邻近存在坚硬土时,最简单的解决方法是把柱放置在一个小的混凝土板上(扩展基底)土较软的地方,有必要将柱荷载传递到一个较大的面积上,在这种情况下,则在整个建筑物底下使用连续的混凝土板(筏或者席)地表邻近的土体不能承载建筑物重量时,木制,钢制或者混凝土制桩被打入以加固土体建筑物的施工工程自然是从基础到上部结构但是,设计工程则是从屋顶到基础(沿重力的方向)过去,基础不依照系统调查科学设计基础的方法已经在20世纪内得到进展美国KarlTerzaghi的先锋研究,利用土力学与探测及测试程序技术,使精确预报基础的行为成为可能过去基础的破坏,像经典的例子一一比萨斜塔,已经变得几乎不存在然而,基础仍然是许多建筑物一个隐藏而昂贵的部分第四课高层建筑大体上建筑施工工艺学方面已经有许多进步,在超高层的设计与施工上已经取得了惊人的成就高层建筑早期的进展开始于钢结构钢筋混凝土与薄壳筒系统已经经济而竞争性地被用于大量的住宅与商业目的的结构由于新型结构系统的创新与进展,现在从50至IJ100层的高层建筑遍布全美国更大高度的要求增加了梁柱的尺寸以使建筑物刚性更强,以便在风荷载作用下建筑物将不可能产生超过一个可同意限度的摆动过度的侧移可能导致隔墙,天花板与其他建筑细部的重复性损害此外,过度侧倾可能使建筑物的居住者由于对摆动的知觉而导致不便钢筋混凝土与钢结构系统,能充分利用整个建筑物固有潜在的劲性,因而不需要额外加劲以限制侧倾比如,在一个钢结构中,经济性由建筑物房屋面积每平方英尺钢的全部平均数量来定义图一中的曲线A使用层逐步增加的数量表现传统框架的平均单位重曲线B则表现框架受到所有横向荷载保护下的平均钢重量上下边界之间的间隙则表现传统梁柱框架为高度付出的额外费用结构工程师已经进展了可消除这一额外费用的结构系统钢结构体系由于一些类型的结构改革,钢高层建筑物得到了进展此改革被用于办公大楼与公寓的建造带有刚性带式桁架的框架为了将一个框架结构的外柱约束于内部的垂直梁架可能在建筑物中部与顶部使用一个刚性带式桁架的系统这一系统的最好例证是在密尔瓦基的威斯康辛州第一银行建筑物
(1974)框架筒体只有当建筑物突出地面的所有的柱构件能够彼此连接使整个建筑物成为一个空心筒体或者一个劲性箱体时,一幢高层建筑的整个结构才能最有效这种特殊的结构体系第一次大概是用于芝加哥的43层楼高的德威特栗木钢筋混凝土公寓而这一系统最重要的应用是纽约的110层楼高的世界贸易中心的钢结构双塔对角柱桁架支撑筒体建筑物的外柱能够被适当的分隔却仍能通过在梁柱中线处交叉对角构件连接使之作为一个筒体而共同工作这种简单而又极其有用的系统最早被用于芝加哥的约翰汉考克中心,其仅仅使用了传统的40层楼高建筑的用钢量组合筒体(束筒)由于对更大更高的建筑物的持续需求,框架筒与对角柱桁架支撑筒可能使用组合使用的形式以制造更大的筒,并仍能够保持高功效芝加哥110层楼高的西尔斯瑞巴克总部有9个筒,由三排建筑物组合而成一些个别筒体终止在建筑物不一致的高度,证明了无限建筑可能性的结构观念西尔斯塔高1450英尺(442m)是世界上最高的建筑桥的类型最佳跨度英尺米梁桥20到
10006.1到
304.8刚架桥80到
30024.4到
91.4拱桥200到
100061.0到
304.8桁架桥200到
140061.0到
426.7悬臂桥500到
1800152.4到
548.6悬索桥1000到
5000304.8到
1524.0。