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结构工程师的前世今生

1、上古

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《易·系辞》:“上古 穴居而野处,后世圣人易之以宫室,上栋下宇,以蔽风雨”

 

相传远古之世,人少而禽兽众,为防御野兽侵害,有巢氏教人构木为巢,白天采摘橡栗,夜晚栖宿树上。《庄子》载:“古者禽兽多而人民少,于是民皆巢居以避之。”即有巢氏时代。

 

史书上说:上古时人类少而禽兽多,人类居住在地面上,经常遭受禽兽的攻击,每时每刻都存在着伤亡危险。在恶劣环境的逼迫下,部分人类开始往北迁徙。他们来到今山西和陕西一带,受鼠类动物的启发,在黄土高原的山坡上打洞,人居住在里面,用石头或树枝挡住洞口,这样就安全了许多。

 

但是北方气候寒冷,许多人宁愿留在危险的南方,也不肯往北迁移。这时候有巢氏出现了,他指导人们用树枝和藤条在高大的树干上建造房屋,房屋的四壁和屋顶都用树枝遮挡得严严实实,即挡风避雨,又可防止禽兽的攻击,人们从此不再过那种担惊受怕的日子。

 

传说,有巢氏排除了兄弟姐妹间的通婚关系,同一族团内部的同辈男女也禁止通婚了。男子只能选择其它族团的女子为“妻”,女子只能选择其它族团的男子为“夫”。就是说甲族团的一群男子(或女子)可以和乙族团的一群女子(或男子)互为夫妻,这便是族外群婚。

 

这种族外群婚相对于血缘群婚,显然已经有了很大的进步。有巢氏的功德,反映了中国原始时代由穴居进入巢居的文明进程。

 

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2、秦汉
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《史记》:始皇初即位,穿治郦山,及并天下,天下徒送诣七十馀万人,穿三泉,下铜而致椁,宫观百官奇器珍怪徙臧满之。令匠作机弩矢,有所穿近者辄射之。以水银为百川江河大海,机相灌输,上具天文,下具地理。以人鱼膏为烛,度不灭者久之。”

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地宫完全用大理石筑砌。地宫主体和墓室均呈矩形状。地宫东西实际长260米,南北实际长160米,总面积41600平方米。华裔物理学家丁肇中先生曾推测,秦陵地宫深度为500—1500米。这一推测难以成立。如此深度,既会导致地宫水难以排出,还会造成渭河之水倒灌秦陵地宫。现代考古钻探表明,地宫坑口至底部实际深度约为26米,至秦代地表最深约为37米。墓室应为石质。

《汉书》:将作少府,秦官,掌治宫室,有两丞、左右中候。

将作大匠,中国古代官名,掌管宫室修建之官。将作监的长官,战国始置,历代沿革,名称不一但职掌大致相同。

 

秦代称将作少府,西汉称将作大匠,汉景帝中六年(前144年),改称将作大匠,职掌宫室、宗庙、陵寝等的土木营建,秩二千石。东汉、魏、晋同,南梁称大匠卿,北齐称将作寺大匠,隋代至辽多称将作监大匠。宋唐复大匠、少匠复名。辽南面官均为将作监,设监及少监。金不设。元代设将作院院使,掌金、玉、织造、刺绣等手工艺品的制造。明初曾设将作司卿,未久废,并其职于工部。清朝不设此官。

《汉书》:高祖七年,萧何治未央宫,上见其壮丽,甚怒。

阳成延,西汉初大臣,陕西西安人,由于他在都城建设上的突出业绩,被封梧齐侯。

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3、唐宋
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阎立本(约601—673年), 雍州万年(今陕西省西安市临潼区)人,唐代政治家、画家。

 

隋朝,阎立本官至朝散大夫、将作少监。唐高宗显庆元年(656年),阎立本继任兄长阎立德为将作大匠,同年由将作大匠迁升为工部尚书。总章元年(668年)擢升为右相,封博陵县男。当时姜恪以战功擢任左相,因而时人有“左相宣威沙漠,右相驰誉丹青”之说。

 

阎立本擅长工艺,多巧思,工篆隶书,对绘画、建筑都很擅长,兄阎立德亦长书画、工艺及建筑工程。阎毗、阎立德、阎立本父子三人并以工艺、绘画闻名于世。

 

代表作品有《步辇图》《历代帝王像》等

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李诫(1035年—1110年),字明仲,郑州管城县人(今河南新郑),北宋著名建筑学家。曾主持修建了开封府廨、太庙及钦慈太后佛寺等大规模建筑,编写了中国第一本详细论述建筑工程做法的著作《营造法式》。除主要从事建筑工作外,还一度任职虢州知州,在地方甚有政绩。1110年(大观四年二月)逝世,终年76岁,葬于新郑梅山。

 

抬梁式又称叠梁式是在立柱上架梁,梁上又抬梁。使用范围广,在宫殿、庙宇、寺院等大型建筑中普遍采用,更为皇家建筑群所选,是木构架建筑的代表。

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3、唐宋
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穿斗式构架是中国古代建筑木构架的一种形式,这种构架以柱直接承檩,没有梁,原作穿兜架,后简化为“穿逗架”。穿斗式构架以柱承檩的作法,可能和早期的纵架有一定渊源关系,已有悠久的历史。在汉代画像石中就可以看到汉代穿斗式构架房屋的形象。

 

穿斗式构架用料较少,建造时先在地面上拼装成整榀屋架,然后竖立起来,具有省工、省料,便于施工和比较经济的优点。同时,密列的立柱也便于安装壁板和筑夹泥墙。因此,在中国长江中下游各省,保留了大量明清时代采用穿斗式构架的民居。这些地区有的需要较大空间的建筑,采取将穿斗式构架与抬梁式构架相结合的办法:在山墙部分使用穿斗式构架,当中的几间用抬梁式构架,彼此配合,相得益彰。

 

4、明清
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雷发达,字明所,南康府建昌县梅棠乡新庄(今江西永修县梅棠镇新庄村)人。生于明万历四十七年(1619年),卒于康熙三十二年(1693年),归葬金陵。他是清初宫廷“样式房”的掌案(总设计师),世称“样式雷”,被誉为近代世界著名的建筑艺术大师。

 

清代初年,雷发达与堂兄雷发宣,因以建筑工艺见长,应募赴北京修建皇室宫殿。雷发达年70解役,著有《工部工程做法则例》、《工程营造录》等著作。

 

雷发达生有三个儿子:雷金玉、雷金鸣、雷金升。长子金玉,字良生,生于清顺治十六年(1659年),继承父业,到光绪末年,已传到六代孙雷建昌,掌管”存式”房长达二百余年。他们参与设计的建筑物除皇宫外,还有四园:圆明园、颐和园、静宜园、静明园;三山;三海;二陵。

 

早期的材料力学研究

达·芬奇在他的手稿中研究和讨论了柱所能承受的载荷。

伽利略在他《关于两种新学科的对话》(1638年)提到、考查了固定端悬臂梁的承载能力的问题。

 

马略特作了伽利略所作的实验,由于他们的截面上平衡条件都不对,所以结果的系数都不正确。

 

雅科比·伯努利(Jacob Bernoulli,1654-1705)关于梁的研究,这就是现今人们所称的伯努利梁理论。

 

1774年,英国工程师斯密顿(J.Smeaton)在建造海上灯塔时石灰。粘土、砂混合物砌基础,效果很好。

 

1824年英国石匠营造者亚斯普丁(J.Aspdim, 1779-1885)取得了烧制水泥的专利,因其与波特兰地方的石材很相近,所以称为波特兰水泥。

 

弗拉基米尔·舒霍夫以他在结构设计分析领域开创性的工作而著称,他创造性的发展了双曲壳塔、网状壳体、张拉结构、栅格壳体。

 

舒霍夫是一位石油工业、房屋结构和桥梁结构领域杰出的改革家,同时,他还开创了双曲结构体系的新领域。这些以非欧几何中的双曲线为基础的结构,在今天被称为旋绕双曲线结构。他还给出了分析这些结构体系的数学方法。舒霍夫最为人所称道的就是他那独具匠心的双曲壳塔的设计,比如以他的名字命名的舒霍夫塔。

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罗伯特•马亚尔(Robert Maillart,1872 年2 月6日-1940 年4 月5 日)。马亚尔毕业于苏黎世联邦联邦学院,是钢筋混凝土结构的伟大先驱。马亚尔是结构历史和结构艺术专家戴维•比林顿教授非常推崇的结构工程师。在现代混凝土刚刚开始兴起的年代,马亚尔赋予了混凝土结构灵性和活力。根据混凝土独特的力学性能,他发明了无梁楼盖和与之配套的蘑菇柱帽。

 

更为突出的成就是他的混凝土桥梁设计,尤其是混凝土拱桥,堪称是力与美的完美结合。马亚尔的旷世之作索尔吉纳托贝尔桥被国际桥协评为20 世纪最优美的桥梁,被美国土木工程师协会列入世界土木工程历史遗产,这座跨度90米的空腹箱形混凝土三铰拱桥,横跨郁郁葱葱的山谷之上,结构之美动人心魄。马亚尔对图解分析的娴熟应用,我觉得依然能够给现在的工程师启发和创意。

 

近代工业的发展,人民生活水平的提高,人类需求的不断增长,还反映在房屋建筑及市政工程方面。电力的应用,电梯等附属设施的出现,使高层建筑实用化成为可能;电气照明、给水排水、供热通风、道路桥梁等市政设施与房屋建筑结合配套,开始了市政建设和居住条件的近代化;在结构上要求安全和经济,在建筑上要求美观和适用。科学技术发展和分工的需要,促使土木和建筑在19世纪中叶,开始分成为各有侧重的两个单独学科分支。

工程实践经验的积累促进了理论的发展。19世纪,土木工程逐渐需要有定量化的设计方法。对房屋和桥梁设计,要求实现规范化。另一方面由于材料力学、静力学、运动学、动力学逐步形成,各种静定和超静定桁架内力分析方法和图解法得到很快的发展。

 

1825年C.-L.-M.-H.纳维建立了结构设计的容许应力分析法;19世纪末G.D.A.里特尔等人提出钢筋混凝土理论,应用了极限平衡的概念;1900年前后钢筋混凝土弹性方法被普遍采用。各国还制定了各种类型的设计规范。1818年英国不列颠土木工程师会的成立,是工程师结社的创举,其他各国和国际性的学术团体也相继成立理论上的突破,反过来极大地促进了工程实践的发展,这样就使近代土木工程这个工程学科日臻成熟。

 

4、近现代
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从世界范围来看,现代土木工程为了适应社会经济发展的需求,具有以下一些特征:

工程功能化现代土木工程的特征之一,是工程设施同它的使用功能或生产工艺更紧密地结合。复杂的现代生产过程和日益上升的生活水平,对土木工程提出了各种专门的要求。

现代土木工程为了适应不同工业的发展,有的工程规模极为宏大,如大型水坝混凝土用量达数千万立方米,大型高炉的基础也达数千立方米;有的则要求十分精密,如电子工业和精密仪器工业要求能防微振。现代公用建筑和住宅建筑不再仅仅是传统意义上徒具四壁的房屋,而要求同采暖、通风、给水、排水、供电、供燃气等种种现代技术设备结成一体。

 

现代土木工程的功能化问题日益突出,为了满足极专门和更多样的功能需要,土木工程更多地需要与各种现代科学技术相互渗透。

 

城市立体化 随着经济的发展,人口的增长,城市用地更加紧张,交通更加拥挤,这就迫使房屋建筑和道路交通向高空和地下发展。

高层建筑成了现代化城市的象征。现代高层建筑由于设计理论的进步和材料的改进,出现了新的结构体系,如框筒、筒中筒结构等。美国在1968~1974年间建造的三幢超过百层的高层建筑,自重比帝国大厦减轻20%,用钢量减少30%。高层建筑的设计和施工是对现代土木工程成就的一个总检阅。

 

材料轻质高强化,现代土木工程的材料进一步轻质化和高强化。工程用钢的发展趋势是采用低合金钢。中国从60年代起普遍推广了锰硅系列和其他系列的低合金钢,大大节约了钢材用量并改善了结构性能。高强钢丝、钢绞线和粗钢筋的大量生产,使预应力混凝土结构在桥梁、房屋等工程中得以推广。

 

4、明清
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施工过程工业化 大规模现代化建设使中国和苏联、东欧的建筑标准化达到了很高的程度。人们力求推行工业化生产方式,在工厂中成批地生产房屋、桥梁的种种构配件、组合体等。预制装配化的潮流在50年代后席卷了以建筑工程为代表的许多土木工程领域。

 

这种标准化在中国社会主义建设中,起了积极作用。中国建设规模在绝对数字上是巨大的,30年来城市工业与民用建筑面积达23亿多米,其中住宅10亿米,若不广泛推行标准化,是难以完成的。装配化不仅对房屋重要,也在中国桥梁建设中引出装配式轻型拱桥,从60年代开始采用与推广,对解决农村交通起了一定作用。

 

理论研究精密化 现代科学信息传递速度大大加快,一些新理论与方法,如计算力学、结构动力学、动态规划法、网络理论、随机过程论、滤波理论等的成果,随着计算机的普及而渗进了土木工程领域。

 

结构动力学已发展完备。荷载不再是静止的和确定性的,而将被作为随时间变化的随机过程来处理。美国和日本使用由计算机控制的强震仪台网系统,提供了大量原始地震记录。日趋完备的反应谱方法和直接动力法在工程抗震中发挥很大作用。中国在抗震理论、测震、震动台模拟试验以及结构抗震技术等方面有了很大发展。

 

静态的、确定的、线性的、单个的分析,逐步被动态的、随机的、 非线性的、 系统与空间的分析所代替。电子计算机使高次超静定的分析成为可能,例如高层建筑中框架-剪刀墙体系和筒中筒体系的空间工作,只有用电算技术才能计算。

 

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结构工程的发展,从一开始的于民有居,保证了人类文化的基本存续;到后来的于亡者有依,保证了人类文化思想感情的千古传承;可以说是为人类社会的产生,进步与发展提供了最坚实的保障。

 

房屋一直是人类最基本的需求也是灵魂最后的退守,帝王将相生前的遗愿是为了死后能住上雄伟的陵寝,秦皇汉武穷其一生始终如一的事业就是修建自己的死后居所。而普通百姓乃至坎坷旅人在困顿的时候最能想到的依旧是一座坚固的安身之处,从杜甫的茅屋为秋风所破歌到海子的面朝大海春暖花开,共同的特点便是一座能抗风抗侵蚀的可靠小屋。

 

随着物质文化的不断发展,结构建筑的发展渐渐迈入了新的瓶颈,有如封建时代千篇一律的宫殿寺庙一般,现在的结构充斥着高楼及裙房+高楼模式,随着发展的停滞,是结构工程社会地位的止步不前。

 

如何打破现有的壁垒,同其他新生产业有机相结合,迸发出新的结构火花,一如开始的有巢氏一般入神天降重新给社会以巨大的推动力,应该是高成结构领导及全体成员乃至全体结构工程师需要努力的方向。

来源:CCDI高成结构

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