1、 1 / 8 建 筑 美 好 一 土木工程的历史与现状 1 西安半坡村遗址（约公元前 4800前 3600 年） ， 有很多圆形房屋，直径为 5 6 米 ,室内竖有木柱 ,以支顶上部屋顶，四周密排一圈小木柱，既起承托屋檐的结构作用 ,又是维护结构的龙骨；还有的是方形房屋 ,其承重方式完全依靠骨架，柱子纵横排列，这是木骨架的雏形。当时的柱脚均埋在土中，木杆件之间用绑扎结合，墙壁抹草泥，屋顶铺盖茅草或抹泥。 2 鲁班 （公元前 -前年） ,生活在春秋末期到战国初期，出身于世代工匠的家庭，从小就跟随家里人参加过许多土木建筑工程劳动，逐渐掌握了生产劳动 的技能，积累了丰富的实践经验。 鲁班是我国古代的
2、一位出色的发明家， 在机械、土木、手工工艺等方面有所发明 ， 我国的土木工匠们都尊称他为祖师。 今天，木工师傅们 用的手工工具，如锯、钻、刨子、铲子、曲尺，划线用的墨斗，据传说 都是鲁班发明的。而每一件工具的发明，都是鲁班在生产实践中得到启发，经过反复研究、试验出来的。 3 木结构。 中国古建筑 ， 形成独特的中国木结构体系。根据气候和木材产地的不同情况 ,在汉代即分为抬梁、穿斗、井干三种不同的结构方式，其中以抬梁式为最普遍。在平面上形成柱网，柱网之间可按需要砌墙和安门窗。房屋的墙 壁不承担屋顶和楼面的荷重，使墙壁有极大的灵活性。在宫殿、庙宇等高级建筑的柱上和檐枋间安装斗栱。 “ 斗拱 ”是
3、我国 古 建筑特有的一种结构。斗与拱，均为我国木结构建筑中的支承构件，在立柱和横梁交接处，从柱顶上加的一层层探出成弓形的承重结构叫拱，拱与拱之间垫的方形木块叫斗 ， 合称斗拱，亦作“ 斗栱 ”。斗拱承重结构，可使屋檐较大程度外伸，形式优美。 4 商朝首都宫室遗址 （公元前 1600前 1046 年） 木柱、木梁、石柱基础、夯土台基 木构架（两层楼）：柱、额、梁、枋、斗拱 5 阿房宫 ， 秦始皇三十五年（前 212 年），在渭河以南 的上 林苑中 营造 的 朝宫。由于工程浩大，秦始皇在位时只建了一座前殿。据史记秦始皇本纪记载：“前殿阿房东西五百步，南北五十丈，上可以坐万人，下可以建五丈旗，周驰为
4、阁道，自殿下直抵南山，表南山之巅以为阙，为复道，自阿房渡渭，属之咸阳。” 6 故宫 建筑群 ， 始建于公元 1406 年， 1420 年基本竣工，是明朝皇帝朱棣始建。故宫南北长961 米，东西宽 753 米， 占地 面积约为 723600 平方米。建筑面积 15.5 万平方米。相传故宫一共有2 / 8 9999 间房，实际据 1973 年专家现场测量故宫有大小院落 90 多座，房屋有 980 座，共计 8707 间（而此 “ 间 ” 并非现今房间之概念，此处 “ 间 ” 指四根房柱所形成的空间）。故宫 宫殿建筑 均是木结构、黄琉璃瓦顶、青白石底座，饰以金碧辉煌的彩画。 太和殿 ，紫禁城中 面积
5、 最大的一座， 也是形制 上最高规格，最富丽堂皇的建筑。高 35.05 米，东西 63 米，南北 35 米，面积约 2380 多平方米。 有直径达 1 米的大柱 72 根， 为 五脊四坡大殿 。 7 应县木塔（山西应县佛宫寺释迦塔 ）， 建于 辽 清宁二年（公元 1056 年）， 这座木塔是世界上现存最高的木结构之一， 与巴黎埃菲尔铁塔和 比萨斜塔 并称为世界三大奇塔。 木塔建造在四米高的台基上，塔高 67.31 米，底层直径 30.27 米，呈平面八角形。 底层为重檐 ， 以上各层均为单檐，共五层六檐 。柱梁、 斗拱镶嵌穿插吻合，不用钉不用铆，以 50 多种斗 拱的垫托 联 接而成。 木塔
6、的结构非常科学合理 ： 木塔 采用两个内外相套的八角形 的 两环柱网， 外圈有 24 根柱子，内 圈 有 8 根 柱子， 木柱之间使用了许多斜撑、梁、枋和短柱，组成不同方向的复梁式木架。 内外 圈 之间又分别有地袱、栏额、普柏枋和梁、枋等纵向横向相连接，构成了双层套 筒 式结构。这样，就大大增强了木塔的抗倒伏性能。 木塔 的 每两层之间都设有一个暗层。这个暗层从外看是装饰性很强的斗拱平座结构，从内看却是坚固刚强的结构层，建筑处理极为巧妙。在历代的加固过程中， 又在暗层内非常科学地增加了许多弦向和经向斜撑，组成了类似于现代的框架 结 构层。有了这四道 刚性很强的结构层 ，木塔的强度和抗震性能也就
7、大大增强了。 木塔 各层柱子的上端均铺斗拱， 依 靠斗拱将梁、枋、柱连接成一体。由于斗拱之间 采用 卯榫咬合，而非 刚性连接，所以在受到大风地震等水平力作用时，木材之间产生一定的位移和摩擦，从而可吸收和损耗部分能量，起到了调整变形的作用。 除此之外，木塔内外槽的平座斗拱与梁枋等组成的结构层，使内外两圈结合为一个刚性整体。这种 刚柔相济，刚柔结合的 结构 有着巨大的耗能 作用， 增强了木塔的抗震能力 。 这种耗能减震作用的设计，甚至超过现代建筑学的科技水平。 8 长城， 春秋战国时期 ,战争频繁 ,广泛用夯土筑城防敌。秦代在魏、燕、赵三国夯土长城基础上筑成万里长城，后经历代多次修筑 ,留存至今
8、,成为举世闻名的 长城 。 9 筒体式砖结构 常用于历代砖塔建筑中，分为单层筒体和双层筒体（即筒中筒）两种类型。中国现存最早的筒体砖塔，如河南省登封县 嵩岳寺塔 ，是单层筒体砖结构。该塔建成于北 魏正光四年（ 523年） ,全高约 40 米，密檐式，平面呈十二边形，中空，下部壁厚约 2.5 米 ,塔身自下而上作抛物线形的曲线，筒壁逐渐减薄以降低塔身的重心高度，提高抵抗风压及地震荷载的能力，构造坚固，结构合理。自建成至今，经历了 1400 多年和多次地震，仍巍然耸立。唐朝多建成方形砖塔 （如 大雁塔 ） ，其中凡可登临的砖塔，仍采用单层筒体结构，层间楼板多用木材制作。到五代末年，出现了双层筒体砖
9、结构，3 / 8 如建于五代末年至北宋初年 (959 960 年 )的江苏省苏州市 虎丘云岩寺塔 ，全高约 47 米，平面呈八角形，由内外两层筒体组成，因各层门 、窗的设置，看上去又像由里外 12 个（中心 4 个 ,外围 8 个）巨大的砖墩组成。塔层之间的楼板 ,由内外壁间逐层挑出的砖块（称迭涩）渐渐收拢承托，并将内外筒体层层连接成整体，加强结构的整体性和刚度。 10 胡夫金字塔（公元前 2726 世纪）石块堆叠（ 230 万块），底边长 230 m，高 146 m，坡面 52。 11 太阳金字塔（公元 2 世纪）：塔体呈梯形，分 5 层， 236 级，高 65m，体积 100 万 m3，内
10、部为泥土和砂石，外砌火山石。 12 卡尔纳克神 庙 （公元前 14前 13 世纪 ） 石柱： 16 列共 134 根 ， 最大直径 3.6 m，高 23 m。 石 梁：跨度 9.2 m 13 古希腊神庙（公元前 115 世纪） 石柱：整作叠石（铁销） 石梁：跨度 78 m 墙体：士坯，石料 装饰：白色大理石砌筑 14 赵州桥（公元 605 年） ,李春设计建造 赵州桥 - 三绝 “券 ”小于半圆 ： 圆弧拱 李春和工匠们一起创造性地采用了圆弧拱 （ 小于半圆的一段弧 ） 形式。主孔净跨度为 37.02米，而拱高只有 7.25 米，拱高和跨度之比为 1： 5 左右 。 这样就实现了低桥面和大跨度
11、的双重目的，桥面过渡平稳，车辆行人非常方便，而且还具有用料省、施工方便等优点，又使桥体非常美观，很像天上的长虹。 “撞 ”空 而不实 ： 敝肩 在大拱两端各设两个小拱，靠近大拱脚的小拱净跨为 3 8 米，另一拱的净跨为 2.8 米。敝肩拱具有优异的技术性能，首先，可以增加泄洪能力，减轻洪水对桥的冲击力。其次，可节省大量土石材料，减轻桥身的自重，增加桥梁的稳固。第三、在承载时使桥梁处于有利的状况，可减少主拱券 的变形，提高了桥梁的承载力和稳定性。第四、四个小拱均衡对称，大拱与小拱构成一幅完整的图画，显得更加轻巧秀丽。 洞砌并列式 4 / 8 在石拱砌置方法上，均采用了纵向（顺桥方向）砌置方法，就
12、是整个大桥是由 28 道各自独立的拱券沿宽度方向并列组合而成； 拱厚皆为 1.03 米，每券各自独立、单独操作，相当灵活 ； 同时又利于桥的维修，一道拱券的石块损坏了，只要嵌入新石，进行局部修整就行了。 一） 桥址选择比较合理，使桥基稳固牢靠。地层表面是久经水流冲涮的粗砂层，以下是细石、粗石、细砂和粘土层。自建桥到现在，桥基仅下沉了 5 厘米。 二）就地取材，选用附近州县生产的质地坚硬的青灰色砂石作为建桥石料。 三）在保持大桥稳定性方面采取了许多严密措施 ： l、每一拱券采用了下宽上窄、略有 “ 收分 ” ，使每个拱券向里倾斜，相互挤靠。 2、在主券上沿桥宽方向均匀设置了 5 个铁拉杆， 在
13、4 个小拱上也各有一根铁拉杆。 3、在两侧外券相邻拱石之间都穿有 “ 腰铁 ” ，各道券之间的相邻石块也都在拱背穿有 “ 腰铁 ” ，把拱石连锁起来。每块拱石的侧面都凿有细密斜纹，以增大摩擦力，加强各券横向联系。 4、在靠外侧的几道拱石上和两端小拱上盖有护拱石一层，以保护拱石；在护拱石的两侧设有勾石 6 块，勾住主拱石使其连接牢固。 15 罗马斗兽场（公元 7280 年） 占地面积约 2 万平方米，平面呈椭圆形，长轴 187 米，短轴 155 米，周长 527 米；中央表演区，长轴 86 米，短轴 63 米， 4 层看台，可容纳 5 万人；表演区地底下为 地窖，隐藏着很多洞口和管道，储存道具
14、、 牲畜和角斗士。 每层 80 个 天然砼制 作 的筒形拱券，形成了三圈不同高度的环形券廊（即拱券支撑起来的外走廊）；外墙总高 57 米， 共 四层分为拱门 、 拱窗 和实墙 ；外墙用石块砌筑，采用罗马水泥作粘结材料。 16 罗马万神庙（公元 120124 年） 卓越高超，精彩绝妙 世界建筑的珍品 由矩形门廊和圆环形神殿两大部分组成 。 矩形门廊 ： 宽 33.5 米，深 18 米， 16 根（ 8 2）大理石和花岗石制成的科林斯式柱子。柱子高 12.5 米，底部直径 1.43 米；上部为一个半三角形希腊式的檐墙。圆环形神殿：下部为圆环形墙壁，最厚处为 6 2 米，有 8 根巨大的拱壁支柱，下
15、层的柱间墙，外侧砌以巨砖，内侧设 8 个大壁龛；上部为半球体。穹顶用天然砼制成，顶部厚 1 5 米，上下设 5 排凹格，每排 28 个 。 （拱肋 +壳板） 17 土耳其圣索菲亚大教堂（公元 532537 年 ） 砖砌穹顶，外面覆盖铅皮 ； 穹顶下的空间，深 68 6米，宽 32 6 米，中心高 55 米。穹顶支承在四根独立的巨柱上，取得开敞的内部空间。用三个半圆穹顶和侧墙来承受大穹顶的水平推力。拜占廷建筑，继承古希腊、罗马的土木建筑技术，吸收了波斯、小亚一带文化成就 ， 解决了立方形平 面上使用穹顶的结构和建筑形式问题。 5 / 8 18 巴黎圣母院（ 11631271 年） ， 哥特式建筑
16、，采用骨架券为拱顶的承重构件，飞券扶壁抵挡拱脚推力，并使用二圆心尖券和尖拱。 19 伦敦水晶宫 英国工业革命时期的代表性建筑。建筑面积约 7.4 万平方米，宽约 124.4 米，长约564 米，共 5 垮，高三层，由英国园艺师 J 帕克斯顿设计，大部分为铁结构，外墙和屋面均为玻璃。“ 水晶宫 ” 共用去铁柱 3300 根，铁梁 2300 根，玻璃 9.3 万平方米，从 1850 年 8 月到 1851 年 5月，总共施工不到九个月时间。 20 美国芝加哥家庭保险公司大厦 。 建于 1883 1885 年，共 10 层，高 55 米， 初次按独立框架设计，并采用钢梁 ， 是世界上第一幢现代钢框架
17、结构的高层建筑，开摩天大楼建造之先河。 21 巴黎 埃菲尔铁塔 ， 1889 年 建成 ， 高 300 米 ，使用熟铁近 8000 吨。 22 约瑟夫 莫尼哀 (Joseph Monier， 1823-1906) 19 世纪中期法国巴黎的一位普通花匠 ， 每天都要和花盆打交道。花盆都是 瓦盆 ， 由泥土 和陶土烧制而成。这些花盆不坚固，一碰就破。莫尼哀去咨询其他花匠朋友，可他们也都面临着同样的困扰；去找专门制作盆罐的工人，他们也没什么好办法。 那时候，水泥开始作为建筑材料使用，人们用水泥加沙子制成混凝土 ，来 盖楼房、修桥梁。莫尼哀便用水泥加上沙子制造水泥花盆 。混凝土花盆果然非常坚固，尤其是
18、不怕压。但混凝土花盆 还经常被摔坏 ，有时，对花木进行松土和施肥 也 会导致花盆破碎。 有一次，他又摔碎了一个花盆。不过，他有了一个发现：花盆的碎片虽然七零八落，可花盆的泥土却抱成一团，仍然保持着原状，好像比水泥还要结实。莫尼哀 仔细观察，原来是植物的根系在泥土中蜿蜒盘绕，相互勾连，使松散的泥土抱成了坚实的一团。 莫尼哀有了新的主意，他打算仿照植物的根系，制作新的花盆。他先用细小的钢筋编成花盆的形状，然后在钢筋里外两面都涂抹上水泥砂浆，干燥后花盆果然既不怕拉伸也能经受冲击。 有一天，巴黎一位著名的建筑师到莫尼哀的花圃里看花。他看到了莫尼哀用钢筋混凝土制作的花盆，大为惊讶。他鼓励莫尼哀把这项技术
19、运用到工程上，并为他牵线搭桥。莫尼哀开始应用这项技术制作台阶、铁路的枕木，还有钢筋混凝土的预制板。 莫尼哀在 1867 年获得 钢筋混凝土 专 利权。 1867 年，在巴黎的世博会上，莫尼哀展出了钢筋混凝土制作的花盆、枕木。 1875 年，在一些设计师的帮助下，莫尼哀主持建造了巴黎，也是世界上第一座钢筋混凝土大桥。这座桥长 16 米、宽 4 米，是座人行的拱式体系桥。当时，人们还不明白钢筋在混凝土中的作用和钢筋混6 / 8 凝土受力后的物理力学性能，因此，桥梁的钢筋配置全是按照体型构造进行，在拱式构件的截面中和轴上也配置了钢筋。 23 上海环球金融中心 位于中国上海陆家嘴的一栋 摩天大楼 ，
20、2008 年 8 月 29 日竣工。 【占地面积】 ： 14,400 。【建筑面积】 ： 381,600 。 【建筑层数】 ： 地上 101 层、地下 3 层 。 【建筑高度】 ： 492 米 。【结构形式】 ： 钢筋混凝土结构（ SRC 结构）、钢结构（ S 结构）。 24 哈利法塔 由韩国三星公司负责营造， 2004 年 9 月 21 日开始动工， 2010 年 1月 4日竣工启用 。 最高的自立建筑： 828 米（ 3,220 英尺）（先前为加拿大国家电视塔 - 553.3 米） 最多楼层数： 162 层（先前为西尔斯大楼 110 层、记录上 最多的纽约 世贸中心 110 层） 最 高混
21、凝土结构： 601.0 米（先前为台北 101 屋顶 - 449.2 米） 25 地下空间的利用 桩：灌注桩，直径 2-3 米，深度 100 米；旋喷桩，深 50 米。 地连墙：成 槽机 洗槽机，侧向成槽 盖挖法 26 隧道施工技术 泥浆平衡、土压平衡 盾构：矩形 、双 （三） 圆、 摆动式切削 式 盾构 ； 矩形顶管 、沉管 27 超高层建筑施工技术 施工平台、液压爬模、超高泵送混凝土、大 型起重机、施工监测与控制（变形、沉降） 28 大跨度钢结构施工 滑移：牵引、顶推、旋移 29 桥梁高架施工 逐跨拼装、悬臂拼装 30 苏通大桥 创造四项世界之最 最大主跨（斜拉桥）： 跨径为 1088 米
22、，是当今世界跨径最大 斜拉桥 。 7 / 8 最深基础： 主墩基础由 131 根长约 120 米、直径 2.5 米至 2.8 米的群桩组成，承台长 114 米、宽 48 米，是在 40 米水深以下厚达 300 米的软土地基上建起 来的，是世界上规模最大、入土最深的群桩基础。 最高桥塔： 采用高 300.4 米的 混凝土 塔，为世界最高桥塔。 （ 日本 明石海峡大桥 297 米的桥塔 ） 最长拉索： 最长拉索长达 577 米，比日本多多罗大桥斜拉索长 100 米，为世界上最长的斜拉索。 建设中四大挑战条件 气象条件差 一年中江面风力达 6 级以上的有 179 天，年平均降雨天数超过 120 天，
23、雾天 31 天，还面临着台风、季风、龙卷风的威胁； 水文条件复杂 江面宽 6 公里，主桥墩位处水深为 30 多米，浪高 1 3 米 ， 每天两潮，潮差 2 4 米 ， 桥位处水流速度常年在 2.0 米 /秒以上 , 最大流速为 4.47 米 /秒 基岩埋藏深 基岩埋藏深达 300 米，覆盖 层厚，土性软弱 ， 河床易受水流冲刷 航运密度高 桥区通航密度高，船舶吨位大平均日通过船只 2300 多艘，高峰时，日通过船只接近 5000 艘，航运 与施工的安全矛盾突出 工程中十大关键技术 1、主桥结构体系研究 桥梁对静、动力反应敏感，为改善结构性能，需对桥梁结构体系进行研究设计采用阻尼装置，设计要求高
24、、参数复杂，国内没有类似工程经验； 2、抗风性能研究 风荷载是桥梁的控制荷载之一，对结构设计影响大桥梁风致振动是桥梁设计必须解决好的关键问题，必须采用风洞试验对风动力参数及结构抗风性能进行研究为保证桥梁安全，需采取必要的减振措施； 3、抗震性能研究 松、软地层条件设计地震动参数的确定困难而复杂，桥梁结构特性对地震动力反应敏感，设计难度大国内 抗震计算方法、软件难以适用必须采取减、隔震或消能措施； 4、防船撞系统研究 船撞力大，船撞对结构受力影响明显需采用主动、被动防撞相结合的方法主动防撞是利用南通现有的 VTS 系统对江面航行船舶进行实时跟踪监控被动防撞是充分考虑到船撞力对结构的影响，确保受力
25、安全； 8 / 8 5、超大群桩基础设计与施工 基础位于软弱土层中，承受的静、动力荷载大，桩基数量多，结构受力传力机理复杂，群桩效应突出，国内外规范难以涵盖大规模水上施工技术指标严，工艺要求高超大规模钢吊箱水上拼装与沉放风险高，难度大大体积混凝土承台施工技术要 求高、工艺复杂； 6、冲刷防护设计与施工 桥墩局部冲刷深度大、冲坑形态复杂，为保证施工期及运营期结构安全，需对河床进行永久冲刷防护，国内外缺乏相关理论与经验防护工程规模大，现场条件复杂，施工难度极大； 7、超高钢混桥塔设计与施工 索塔抗风与静力稳定性问题突出，钢混结构受力机理复杂，设计难度大风和温度对施工的影响十分突出，国内外尚无经验可循如何保证桥塔上部钢混结构施工精度、提高施工质量、确保结构耐久性具有很大挑战性； 8、超长斜拉索减振技术 斜拉索风雨激振理论原因不清，设计考虑困难，斜拉索减 振与抑振措施须经实验研究确定 9、主梁架设技术 块件数量多、重量大，斜拉索长，施工架设难度大；悬臂长度大、施工周期长，抗风安全突出；结构柔，施工技术要求高，施工控制困难； 10、施工控制技术 施工控制是保证斜拉桥成桥线形和结构内力的重要途径；非线性、温度等对超千米跨径斜拉桥的影响突出，现有理论、分析手段难以全面考虑大跨径斜拉桥施工过程复杂、体系转换多，技术、材料、外界环境及施工工艺影响大，施工控制技术难度大。
