1、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。此处的环境包括建筑符合科学规范的所有结构，从灌溉和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，公共交通和其他现代社会和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，以及其他设计用作工业，商业和住宅途径的大型结构。此外，土木工程师还规划设计及建造完整的城市和乡镇，并且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 John Smeaton 为了把他的非军
2、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采用的名词。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。因为包含范围太广，土木工程学又被细分为大量的技术专业。不同类型的工程需要多种不同土木工程专业技术。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，和电力线。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，包括对空气和地下水的可能污染，对当地动植物生活的影响，以及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同种类设施以减轻由整个工程造成的对当地公
3、路和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详细规划，设计和说明。从项目开始到结束，对这些土木工程专家的工作进行监督和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和人工的数量和花费，所有工作的进度表，订购工作所需要的材料和设备，雇佣承包商和分包商，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 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，因为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
4、一专业领域，土木工程师规划设计各种类型的结构，包括桥梁，大坝，发电厂，设备支撑，海面上的特殊结构，美国太空计划，发射塔，庞大的天文和无线电望远镜，以及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必须承受的力：自重，风荷载和飓风荷载，建筑材料温度变化引起的胀缩，以及地震荷载。他们也需确定不同种材料如钢筋，混凝土，塑料，石头，沥青，砖，铝或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主要处理水的物理控制方面的种种问题。他们的项目用于帮助预防洪水灾害，提供城市用水和灌溉用水，管理控制河流和水流物，维护河滩及其他滨水设施。此外，他们设计和维护海港，运河与水闸，建造大型水利大坝与小
5、型坝，以及各种类型的围堰，帮助设计海上结构并且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和岩石的特性进行分析。他们计算建筑和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和填充物的稳定性以及如何保护结构免受地震和地下水的影响。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，同时预防和控制地表和地下水资源供给的污染。他们也设计，建造并监视工程以控制甚至消除对土地和空气的污染。他们建造供水和废水处理厂，设计空气净化器和其他设备以最小化甚至消除由工业加工、焚化及其他产烟
6、生产活动引起的空气污染。他们也采用建造特殊倾倒地点或使用有毒有害物中和剂的措施来控制有毒有害废弃物。此外，工程师还对垃圾掩埋进行设计和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可以确保人和货物安全高效运行的设施。他们专门研究各种类型运输设施的设计和维护，如公路和街道，公共交通系统，铁路和飞机场，港口和海港。交通工程师应用技术知识及考虑经济，政治和社会因素来设计每一个项目。他们的工作和城市规划者十分相似，因为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和运送从煤泥浆(混合的煤和水) 和半流体废污，到水、石油和多
7、种类型的高度可燃和不可燃的气体中分离出来的液体，气体和固体的相关设备。工程师决定渠道的设计，项目所处地区必须考虑到的经济性和环境因素，以及所使用材料的类型钢、混凝土、塑料、或多种材料的复合的安装技术，测试渠道强度的方法，和控制所运送流体材料保持适当的压力和流速。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，有时被称为项目工程师，应用技术和管理技能，包括建筑工艺，规划，组织，财务，和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，布置和建造临时道路和斜坡，开挖基础，支模板和浇注混凝土的工人，以及钢筋工人。这些
8、工程师也向结构的业主提供进度计划报告。 社区和城市规划。从事土木工程这一方面的工程师可能规划和发展一个城市中的社区，或整个城市。此规划中所包括的远远不仅仅为工程因素，土地的开发使用和自然资源环境的，社会的和经济的因素也是主要的成分。这些土木工程师对公共建设工程的规划和私人建筑的发展进行协调。他们评估所需的设施，包括街道，公路，公共运输系统，机场，港口，给排水和污水处理系统，公共建筑，公园，和娱乐及其他设施以保证社会，经济和环境地协调发展。摄影测量，测量学和地图绘制。在这一专业领域的土木工程师精确测量地球表面以获得可靠的信息来定位和设计工程项目。这一 方面包括高工艺学方法，如卫星成相，航拍，和计
9、算机成相。来自人造卫星的无线电信号，通过激光和音波柱扫描被转换为地图，为隧道钻孔，建造高速公路和大坝，绘制洪水控制和灌溉方案，定位可能影响建筑项目的地下岩石构成，以及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和工程教学。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和一种组织能力来协调劳动力，材料，机械和钱。这些工程师可能工作在政府市政、国家、州或联邦；在美国陆军军团作为军队或平民的管理工程师；或在半自治地区，城市主管当局或相似的组织。他们
10、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和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和施工方法技术革新的基础研究。多数也担任工程项目或技术领域的顾问，和主要项目的代理。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可以遮风避雨之所。在一个比较一般的感觉中，建筑物的艺术包含人类试图控制环境和直接自然力以满足需要所取得的所有成就。除建筑物外，这种艺术还包括大坝，运河，隧道，沟渠和桥。遮风避雨的建筑物的设计和其他功用的土木工程结构的设计的科学基础
11、原理是相同的。而只是因为现代社会特定的需要，这两个领域才沿着不同的路径发展。相似的，关注作为遮风避雨的建筑物的主要营造者也不再是一个单独的个体；相反的是由多个专家组成的小组：规划师，建筑师，工程师和建造者。一个现代建筑物的实现依赖这个小组集体的智慧。建筑物的结构是建筑物的功能、环境及各种社会经济因素共同作用的产物。公寓，办公大楼和学校的不同在于它们实现的功能不同。公寓的每一个可居住空间如起居室和卧室必须有来自窗户的自然光，而浴室和厨房可以采用人造光源因而可以安排在建筑物内部。这种必要的设置对公寓的进深必然有限制。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
12、有建筑物进深的限制。环境可能影响到建筑物的形状和外观。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，而乡村的学校可能发展成为景观的一个主要部分，即使两者实现同样的功能。最后，建筑物的结构被各种社会经济因素影响，包括地价，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同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。建筑物的大小和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采用不同的结构。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
13、盖的精确活动广泛到从工厂的一条装配线到一个家庭的起居室应该规定几个内部区域的大小和形状。这些空间也必须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建筑学中的说法是“流通”需要大厅，楼梯和电梯，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同目的的决定。好的平面组织可以指引访客到达他们的在建筑物中的目的地并且使他们留下印象。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，浪费和视觉混乱。此外, 一个结构需要很好地被建造。它应该有结构需要的和被选材料允许的耐久性。建筑学的未经加
14、工的材料，如石，砖，木，钢或玻璃，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，但是对于实际应用，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, 并且支撑间距比较小。此外，石柱必须坚固，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
15、国的乔治王时代。然后，石借助它本身的构造类型，成为支撑楼板和屋顶的墙，成为承重结构中的密排柱，成为主要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，并且木制柱较细且可以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组成的水平格状矩形。木和钢的性质意味着框架结构一个支撑楼板和屋顶的骨架任何的铺面材料都可能是必需的。木和钢也准许悬臂结构，在这种结构中，梁的投影
16、超出支承的最后一个测点。最后，建筑学不仅必须超过符合强度和空间的实际需要，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，结构的侧面和背面应该与正面具有足够的一致性，可以使所有相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,所以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接受，尽管在设计各处
17、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，所以还需要其他中间尺度的元素。楼梯和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 Petit Trianon 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
18、感知它的巨大。虽然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为了强调建筑物的一些重点而常被采用。装饰品可能用于突出建筑物的特征和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可以被立刻确认。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和地方地理学上看起来属于它的位置。经过建筑学目的的成型，再受材料、比例和设计者给定的比例尺和特征支配，建筑物成为建造它们的时代的理想的表达和热望。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 建筑物的组成材料和不同的结构形式联合组成建筑物的各种不同部分，包括承重框架，外壳，楼板和隔墙。建筑物也有像升降机，供
19、暖和冷却，照明这样的与机械和电力有关的系统。上部结构是建筑物地面以上的部分，而下部结构和基础则是建筑物地面以下的部分。摩天大楼的出现得益于 19 世纪的两大发展：钢骨架结构和旅客升降机。钢，作为一种建筑材料，源于 1885 年贝色麦转炉的引入。 Gustave Eiffel（1832-1932）将钢结构引入法国。1889 年巴黎展览会的塔和他为 Galerie des 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 Elisha Otis 安装于纽约的一幢百货公司。
20、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，并且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。例如，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，William Le Baron Jenney (1832-1907)采用铸铁柱支撑楼板的方式以形成笼状结构。由钢梁和钢柱组成的骨架构造最早用于 188
21、9 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，轻金属和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采用钢结构。战后，钢材的短缺和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）的邮政大厦和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 Eero Saarinen 于1962 年设计的哥伦比亚广播系统大楼
22、，有一个由 5 英尺（1.5 米）宽，相邻柱的中心距为 10 英尺（ 3 米）的混凝土柱组成的环形墙。这个环形墙实际上有效地组成了一个承重墙。产生这种趋向的一个理由是，采用建筑物的墙壁作为一个筒体，可以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，刚性框架或垂直的桁架通常被用于提供侧向稳定性。外壳。建筑物的外壳由透明元素（窗）和不透明元素（墙）所组成。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，破损产生了一个维护问题。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，钢和铝。木主要被用于房屋建筑，由于
23、有火灾的危险，它通常不用于商业，工业和公用建筑。楼板。建筑物中楼板的构造依赖于所使用的基本结构框架。在钢结构中，楼板或是搁置在钢梁上的混凝土板，或是表面附有混凝土的波状钢组成的凹板。在混凝土结构中，楼板或是搁置在混凝土梁上的混凝土板，或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赖于支撑柱或墙间的跨度和空间的功能。例如，在公寓中，当墙和柱的间距在 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。这种板的下部可以用作其下层空间的天花板。办公大楼中常使用波纹钢楼板，这是因为波纹钢楼板的波纹当由另一块金属板
24、盖上时，可以形成电话线和电线通道。机械和电力系统。一个现代建筑不仅包括它所需要的空间（办公室，教室，公寓），还包括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，电力和卫生管道系统的重要性体现在工程预算的 40%被分配给它们。因为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和空调。渠道和管道携带来自中央风扇室和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。用于动力和电话通讯的电力配线，也被安置在天花板空间内，或被埋置在楼板结构中的管道内。已经有种种尝试将机
25、械和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和保险公司大楼（1965），管道和楼板结构以一种有组织和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，并且可以允许改革，例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。基础的设计依赖于许多土体的要素，如土的类型，土壤的层理，土层的厚度和它的压缩性，以及地下水的状态。土壤很少有一个单一的成分。它们通常是不同厚度土层的混合物。为了评估，土壤被按照颗粒大小分为不同等级，它们从淤泥到粘土到砂到砂砾到岩石依次增加。大
26、体上，较大颗粒土的负载能力将会强于较小的一些。最硬的岩石可以高达每平方英尺 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）。所有表面以下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（除了大多数的砂和砾石以外）显示出弹性性质在荷载作用下受压变形，当荷载解除后可以回弹。土壤的弹性常常依赖于时间，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，如果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，如果建筑物作用在土体上的
27、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动，就是说，它很容易被压挤出。由于压实和流动效应，建筑物趋向于沉降。例如比萨和博洛尼亚的斜塔，不均匀沉降能产生破坏效果建筑物可能倾斜，外墙和隔墙可能产生裂缝，窗户和门可能够变得不起作用，并且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和其后，仔细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。在地表附近
28、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采用连续的混凝土板（筏或席）。地表附近的土体不能承载建筑物重量时，木制，钢制或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 世纪内得到发展。美国 Karl Terzaghi 的先锋研究，利用土力学和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，像经典的例子比萨斜塔，已经变得几乎不存在。然而，基
29、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Fazlur Rahman khan 大体上建筑施工工艺学方面已经有许多进步 , 在超高层的设计和施工上已经取得了惊人的成就。高层建筑早期的发展开始于钢结构。钢筋混凝土和薄壳筒系统已经经济而竞争性地被用于大量的住宅和商业目的的结构。由于新型结构系统的创新和发展，现在从 50 到 100 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会产生超过一个可接受限度的摆动。过度的侧移可能导致隔墙，天花板和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因为对摆动的知觉而导致不便。钢
30、筋混凝土和钢结构系统，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。例如，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 采用层逐渐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。结构工程师已经发展了可消除这一额外费用的结构系统。钢结构体系。因为一些类型的结构改革，钢高层建筑物得到了发展。此改革被用于办公大楼和公寓的建造。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,可能在建筑物中部和顶部采用一个刚性带式桁架
31、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。建筑物的外柱可以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
32、（束筒）。由于对更大更高的建筑物的持续需求，框架筒和对角柱桁架支撑筒可能采用组合使用的形式以创造更大的筒，并仍可以保持高功效。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同的高度，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。薄壳筒体系。筒结构体系的发展提高了高层建筑抵抗侧向力（风和地震作用）和飘移（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发展。薄壳筒的进步是利用（高层）建筑的外表面（墙和板）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
33、不设柱子，节省成本，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。所有标准柱和外墙托梁都采用标准型钢，使得组合构件的使用和花费最小化。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。虽然采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发展在办公大楼和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（
34、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组成。这种被称为筒中筒的体系使设计目前世界上最高（714 英尺或 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。结合混凝土和钢的体系也得到发展，这方面的一个例子是由 Skidmore, Owings 和 Merrill 发展的复合体系。它是采用间距很小的混凝土外框架筒包围钢框架内筒组成，因此兼有钢筋
35、混凝土和钢结构体系的优点。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 环境工程环境工程是有关由结构，机器，系统和人类的活动引起的污染的一个工程分支。文明的发展已经引起许多地球生态系统的紊乱，造成空气，陆地和水的污染。环境工程师的责任不仅在于设计系统以缓和这一污染， 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以下各种不同层次。水质处理。在许多情况下，河流，湖泊和海洋已经被由住宅，商业，和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并且一些旧的设备也得到了改良，可以采用物理化
36、学和生物学方法从液态废水中除去污染物。有机物使河流和湖泊中的氧气耗尽，并因此导致鱼类的死亡和有毒的臭气。物理化学和生物学工序可以取去大量的有机物，连同来自废弃河流上漂浮的浮渣和滑脂。化学消毒可以使废弃河流中的细菌，病毒和原生生物钝化。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，砂和砂砾分离，化学凝结和单纯沉淀。生物学方法有加菌滤渣，接触塔和生物圈。这些处理方法应用到住宅，商业和工业废水上，已经降低了许多河流，湖泊和海洋的污染程度。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和大量废水的无限制排放。这些排放物来源于携带卫生废污和大量垃
37、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，并且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，已经开始采用建造一个能在暴风雨期间储存大量流量的深地下隧道，废水可以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和干的河川的地方，必须采用更高水平的处理措施，包括营养物和胶质物的除去。物理化学和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，和紧接着固体残留物的凝结和过滤。在一些情况下，粒状的活性碳或膜被用于废
38、弃河川的附加净化。因为任何可见的污染对水域的形状产生的破坏,所以这种更高水平的处理是可取的。此外，这种处理还可以对水域上由营养物磷和氮引起的潜在的富营养化效应起防止作用。对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沿河农田使用的杀虫剂和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，只要排放物经过适当的处理，并且有机化学污染物被消除，也是可以被接受的。比较不可接受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
39、，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和为高尔夫课程浇水，这种方法已经变得相当普遍和可接受，尤其是在干燥性气候下。此外，某些特定地区如那不勒斯，佛罗里达和欧文，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，以及消防用水等用途，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和生物学方法分离出来的有机和无机的固体必须进行脱水,采用生物和化学方法使之稳定,并且需掩埋在受约束的
40、垃圾场,焚烧或者堆制成肥料。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，接着是生物稳定过程。可以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，包括美国的东海岸，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，而焚化作能量供应以及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，有毒的和重金属必须在源点被除去。处理废水中的固体废物的方法有挤压，皮带，离心分离机以及流化床火炉脱水。已经受到相当注意的另外一种方法是容器堆肥。垃圾处理。在陆地上的废物和垃圾的不加选择
41、的倾卸已经引起严重的污染问题。垃圾处理可以控制在一个设计和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，在中型和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似乎是垃圾的焚化，通过燃烧有机材料来回收能量。来自热反应堆以及废水处理厂焚烧固体废物的火炉的空气发生发射系统必须设计成能防止化学品和微粒子空气污染。这些空气发射系统包括静电沉淀和加力燃烧室。有害废物处理。不幸的是，由于来自工业和商业活动以及公众代办站的长期非法倾卸和洗涤，乡间和地下水已经变得混乱并且被污染。来自倾卸处理地的废物储存容器的去除必然地是个很
42、慢的方法，并且一个经核准的处理基地必须存在并发展。被污染的土壤和地下水的净化是个更慢的方法，净化工艺必须被设计并实行。例如，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，因为这对那些必须使用这些地下水作饮用供给的社区，会造成健康危害。空气污染控制。柴油驱动的卡车和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，其他的空气污染物主要来自于汽车，超
43、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和加拿大的森林和湖泊上。虽然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和化学污染物的方法是可用的（例如多样性火炉，流化床反应堆以及究竟久经考验的空气发射技术），但是代价昂贵，并且过程缓慢。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并且经济的供给社区饮用水的方法，特别是在滨水地区。水必须经过消毒处理以使微生物污染物钝化，还必须进行物理化学处理以除去有
44、机和无机污染物。其他的饮用水源是自然湖泊和水库。它们往往优于河水，并且它们可作多重用途，如给排水和水力电气的动力。这些湖泊的部分区域的受限制的娱乐使用是很寻常的。地下的蓄水层是一个饮水的通常源点，并且其质量相当高，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和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 。必须审慎选择最纯净的水用于饮水，如地下水，泉水，或高地湖泊，然后对其源点进行
45、强制性保护。预防地下水的化学污染是极其重要的，其可以通过明智的控制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和控制一样重要。在源点质量相当好的地方，化学消毒，凝结，过滤就足够了。如果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，因为它是对细菌，病毒和原生动物消毒的最有效的消毒剂，并且它不像氯，当水中存在有机物质的时候，它不会形成致癌副产物。经济内嵌或直接的过滤可以用于净化许多高地供给。和臭氧结合，这种方法对许多未过滤水供给是能
46、适用的。粒状的活性碳可以除去水中产生味道和气味的物质，并且能吸收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。环境工程学可以用于区域性问题的解决。变得富营养化和藻类繁盛的池塘和湖泊不能被用于娱乐，并且这水如果被用于饮用可能是有害的。海港处水的无差别的处理和随之发生的海滩污染能通过适当的规则和强制执行来预防。最后，还必须发展对景观地废物的最佳处理方法。第六课：取暖，通风，和空调取暖，通风，和空调系统是环境工程的主要方面，就最新的概念而
47、言，他包括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。虽然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，航天器和潜艇。这些都有着很高的特殊要求。取暖，通风，和空调系统在目前的背景下，将被定义为控制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，许多工业进程都依赖着一个稳定的大气层，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
48、供新鲜空气和抽出那些被污染或含有杂质的空气。空调系统则包括了取暖和通风系统的功能，而且还增加了降温功能，调节湿度和洁净空气，过滤灰尘，细菌和空气中的杂质。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可以说明，后来就在泥土或是草地上生火。发现木炭可以由木材制得，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，以及地中海沿岸。另外一个进展就是气孔和烟窗的出现。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。烟和汽水将不再蔓延于生活空间。火炉在公元
49、前 600 年在中国出现并使用。它比壁炉更节省热量。火炉从俄罗斯传到德国和欧洲的大部分国家。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 rumford。他的目的是在使用耐火粘土团和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。由于他的想法并没有被接受，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Lacedae monians 发明，并且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。虽然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。他们发明了独特的火坑供暖系统。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可以找到，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，和有时需要取暖的一些房间里。如此科学技术的发展和精炼随着罗马帝国的衰弱和城市的毁灭而终止。那
