《土木工程专业英语》参考译文

Lesson 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。

Lesson 2

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。

Lesson 3

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。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19xx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，基础仍然是许多建筑物一个隐藏而昂贵的部分。

Lesson 4

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（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（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

Lesson 5

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，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，19xx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19xx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。

Lesson 6

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Lacedaemonians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。那些黑暗时期似乎又回到了原始生活。城堡和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。依旧用庞大而沉重的兽皮保暖，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世纪和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。最初用于工厂和磨坊。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，还可以为学校，教堂，法院，议会大厅，甚至家庭和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，常常伴有燃烧残骸一般的异味，而用热水的优点在于有一个比较低的表面温度和比蒸汽更温和一般的影响。它在1830年被接受。 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主要的地方。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

暖气分配到不同的地方的方法。

在1831年，英格兰人Jocob Perkins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坚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，在弯管中循环流动。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，主要用于工业取暖。 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采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。例如：重建于1837年的伦敦New Houses国会厅。会场的空气排出便采用焦碳燃烧的方法。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士河中。

虽然旋转式的电扇早在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和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，医院和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，结果可以冷却至11到17摄氏度，席子可以手工保湿或在它上面穿孔，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Stuart W.Cramer，他在19xx年向美国棉花制作商协会提交了一个关于纺织工厂湿度控制的论文。控制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。不过直到19xx年，当Willis Carrier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。

从空调的发展历史来看，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，和办公大楼上都安装了空调设备。空调的经济价值是显著的。空调的发展成为一个主要的工业。不过我们期待更新的冷却技术的出现。

在19世纪末期，取暖和通风系统的设计很大程度上是凭经验，科学方法的发展在19世纪90年代得到了改变，一战前，研究工作是由Belin-Charlottenburg大学和其它的一些部门担任。战争过后，许多国家都开始了研究，尤其在联合王国，美国，德国，瑞典和法国，所有的这些研究，使现代空调的影响不断提高。

Lesson 7

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，它主要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。早期人类的工具和建筑技术如同原始人类一样都是最初级的。他们只要经过最少的加工和安装即可建成。

在森林里，随处可得结实的木材和圆木，那时侯的桥极可能是由一根或并排的几根圆木建成，可能在其上覆一些木枝或草垫以方便行走。

处于热带地区的印度、非洲、和南美洲纤维藤被用来建成悬索桥，这些藤被系在小河或山谷

两边的树上或岩石上。一根或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。虽然藤索桥通常不稳定。但有很多用incas建成藤索桥有足够的坚固和稳定性，被用于西班牙士兵和它们马匹的通行。

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，不过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。河床一般比树要宽，中国人和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。为了增加稳定性，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和在公元千３０００年的埃及，用石头或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。这种直拱比突拱更坚固，且早在公元前５００年就被使用。

这种直石拱具有经济和经久耐用，它可以由许多静止在码头上的拱而跨过小的河流。并且，它一般会经常出现，而它的质量比先前的任何结构都要好。在中国和罗马的古代，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类基本结构可以用作水面上的或障碍物上的桥：刚架桥、悬臂桥、拱桥、和悬索桥体系。

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。这种刚架桥可以组成某种形状的木梁、钢筋混凝土梁或更复杂的约束。刚架桥这种类型的桥的跨度可以采用在中间建桥墩或在峡谷建搁栅撑，再用几根横梁连接起来而增加跨度。刚架桥的材料必须能够承担压力和拉力。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，如果他的受压承载力太弱，它将会成扣环，如果受拉承载力太弱，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可以延伸―――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定。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和立足点的。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。由于在形状上的不同，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，悬索桥的缆绳必须尽可能的防止延伸，饿拱桥材料则尽可能地抵抗压缩。因为拱结构不一定要求材料具有抗拉强度，所以拱桥可以用砖或石头建造，砖或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。

Lesson 8

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：如果是高速公路桥，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联邦政府一起，对主要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，对当地经济的影响和桥的造价。这就决定了工程的投资方式，如公众收费，发行债券或支付过桥费都被考虑进来。如果研究认为其可行信，那么桥选址和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，水流和水路上的其他的特征都要仔细研究，在陆地和水下的泥土和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，悬索或其他类型结构的主要因素是：

（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）美观和和谐性。

在一定范围的跨度内，每种结构的都有最大的作用和经济。如下表所示：

桥的类型

最佳跨度

英尺

米

梁桥

20到1000

6.1到304.8

刚架桥

80到300

24.4到91.4

拱桥

200到1000

61.0到304.8

桁架桥

200到1400

61.0到426.7

悬臂桥

500到1800

152.4到548.6

悬索桥

1000到5000

304.8到1524.0

上表表明了许多类型的适用性有相当多的重叠。在一些实例中，在不同的初步设计中，用来比较不同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，包括混泥土，钢筋，和多种耐腐蚀的合金。

拿Varian-Narrows大桥来说，设计者使用了七种不同的合金钢，其中之一的合金的屈服强度为50000英镑每平方英寸（3115kg/c㎡）,而且不需要油漆保护，因为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250000英镑每平方英寸（17577 kg/c㎡）

抗压强度高达8000英镑每平方英尺（562.5kg/c㎡）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和抗风化性能，这种混泥土被用作预应力砼，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（17577 kg/c㎡）

桥梁的其它使用材料还铝合金和木材：现在的铝合金的屈服强度超过了40000每平方英寸（2818 kg/c㎡）。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。例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（210.9 kg/c㎡）。

应力分析一座桥要抵抗一系列的合力，如拉力，压力，剪力和扭力。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种单独的压力和拉力，这就叫应力分析。这或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可以分为二类荷载：动荷载和静荷载。静荷载——即桥结构本身不变的重量——它往往也是最大的荷载。动荷载或静荷载有很多，包括桥面上的机动车，风荷载，和积冰积雪荷载。

虽然随时在桥面上移动的机动车的总重量相当于静荷载和动荷载来说是一个很少的部分，而对设计者来说，因为机动车辆产生的振动和冲击压力而会出现特殊问题。例如：在路面上机动车的不规则的运动或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。如果出现空气弹性振动，在这种情况下的Tacoma Narrows大桥的风作用被大大地增大，由于这种危险的存在，桥的设计者在桥址必须知道所能发生的最大的风。还有其它的力作用在桥上，如：地震产生的压力也必须注意。

对桥墩的设计通要给予特殊的关注，因为桥墩承担水流，浮冰和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，尤其对桥的动力的活动状态的研究也可以帮助设计者。一个小比例的桥模结构中，对桥模各处的应力，加速度和变形都可以进行精确测量。桥模这时可以承受同样比例的荷载和动力条件来分析桥的变化。风洞试验也可以确保不再发生Tacoma Narrows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以前。

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。

在深水中建基础一般用沉箱法。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和更低的成本，用于钢或混泥土桥墩。在现代的打桩工具下把重桩打入深水中，桩可以在水面或水下截断或做成桩帽。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和支柱建好后，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，直升和悬挂法。

在用脚手架建造时，主要用来建混泥土拱桥。金属或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。尤其结构在激流回深谷上时，临时桥墩和站桥一般使用在宽而浅的河上。

浮运法主要用来建很长的桥梁。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，起重机和吊车可以完成着仪沉重物在结构上的操作。

滑移法建筑很少用到。这种方法，如一个预制构件或一个组合结构在竖立的支柱上，滑过临时或永久性的支撑，直到它进入安装的另一个支撑。

直升法主要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发展。移动吊车在已完成的桥面上移动，用来运送重材，悬挂钢缆，有时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和变形，在用悬臂梁法施工的桥梁中，因为完全不同的支撑和荷载条件，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，护栏和附属设施完成后，桥梁就准备投入使用了。

Lesson 9

第九课海港和海上工程

海港和海上的建筑工作比城市设计有更多不平常的问题和富有挑战性，连续宽广的大海是自然界最不知疲劳，最有气势和具有强大的自然力，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缺点，而却防止它们。

海事工程的目的。这些广泛进行的工程主要目的有两类：水面运输，围海造陆或河道管理。在第一批进行的工程直接用于为水陆交通工具中的货物和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。为轮船和水型飞机提供了安全岛，是船舶的停泊处或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和改造海洋所占用土地以及维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，由于没有连续维护，大浪和暴雨一起将导致居民区的洪灾时常发生。

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同特征。例如：主要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，河道管理是否促进发展技术模型的研究，曾经认为科技是不必要的，这些研究表明必不可少的第一步是对任何港口或沿海地区进行再开发，去做有用的即使是非常小的更改或增加地区，海港，河口被做成缩尺模型。所以水不以被引导如同潮汐和其他的潮流一样，在同一方向以相同速率处在同一个地方。各种设备一般都是电子控制，被发展以海浪和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Clyde Estuary工程的巨大模型在14分钟的潮汐循环中或大约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改，如果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可以被研究。利用波浪生成设备，发现次要的或不利的影响。

在受保护的区域，波浪因带来混乱而不受欢迎，这是可以预料甚至还是抢先的。

天然港口和人造港口：

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。例如纽约湾，探险者Giouvanni da Verrazano 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，当然还必须修建港口结构，但最主要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。因为像这些天然的海港并不是经常需要一般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，最主要的结构设施是防浪堤，有时候也叫防波堤，或者掘地道，其主要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；也可以偏于稍微缩进一些。所以，常常出于经济性或都战略性考虑，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。

海港的主要工作远古时代，从事海港的工作是改善改进天然海港和人造港口的结构。还没有确定性的证据记载第一座人造海港构造的日期和地点，但是人们都知道，公元前13世纪Phoencians在Sidon和Tyre就修建了港口。

目前的工程师们很少懂得或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。

Asia Minor的在Aegean陆地上的港口如Ephesus, Prience和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），这对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事情。 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，淤泥沉积不仅是因为临近河流的作用，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和存在。

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，这些说明和遗址都被保存下来，古时候的从事海港工作的土木工程师的一些图纸也被保存下来。

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贡献，如防波堤，通道及维护结构。大量的廉价劳动力和用天然石材为主要材料。用这种方法建成之后看起来如同更快来低价的现代建筑。

不过它并不带着刻意的目的去不断修建的古代工程师的功劳。提供那些他们以前用过的材料和他们已经实现的目的。他们可能会做得更小。此外，由于他们没有那么快速的步伐去反战更好的船运或陆路运输，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因为坚固耐用反而变成负担的结构。 现代在过渡耐用和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，如雕像和凯旋门。

横切技术的实践包括在隧道和防护堤中的罗马半圆式半圆拱和分布在那些允许海水进出的以便于清洗海港中的设备的地方。罗马人常采用村庄和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和水轮。这些实践能使他们在干旱区展开很多基础工作，和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发展而成的。

Lesson 10

第十课 大坝

大坝是横跨小溪，河流或河口用于蓄水的建筑。他的目的是为了提供人类用水，灌溉和工业用水；削减洪峰，增加蓄水发电能力；或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括溢洪道，水闸，或利用阀门控制从大坝中排出过剩的水到下游；吸

水结构引水到发电站或运河，隧道，或渠道用于更远距离的使用。供应从蓄水池中抽出泥沙；同时还要允许轮船和鱼类通过大坝。大坝因此在控制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，在一个小国家可以从一个简单的大坝中获得巨大的农业和工业利益。

大坝从外形和建筑材料可以分成几个不同的等级，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和可以使用的建筑材料。基本的所选的材料是混泥土，泥和碎石。大部分大坝在过去建设中采用有接缝的石木术，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采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和embankment，M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E坝和精确地设计都可依靠这一位置的地质情况和构造，大坝的基础和成本因素。

地质的研究和试验，坝址研究包括沉降试验和地层的钻孔测试。用竖井和坑道补充钻孔试验，因为它们的成本必须尽可能地节约。

在竖井的坑道试验中可以测出强度，弹力，渗透系数和地层的压力分布，还必须重视那些更结实的基础中的薄的分离或间隔地区的特性。存在的地下水对大坝的建筑材料的有害的化学溶解必须评定。建筑原料需要试验。如果连续增加高度，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和水力设计中扮演一个主要角色。结构模型在分析拱形大坝和检验分析压力计算有特殊的用途。各种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，温度和压力改变和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。数字电脑已经允许考虑高级的分析方法设计，它处理大量的数据和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，这样可以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：混凝土和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，因为它很容易被拉裂，混凝土大坝因此要被设计承受最小拉应力和利用混凝土大的压应力或尽可能地承受垂直荷载。由于晶体结构对水的吸收，水在空气中的蒸发和从水泥水化过程中产生的高温冷却，混凝土的主要成分---水泥，在凝固和硬化时要收缩。因为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，其次能抵抗气候和化学侵蚀。能满足用于大石块中的水泥可以减少用量。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）作为填料可以减少混凝土的水泥用量。另外就是使用增加添加剂。表面活性剂和加气剂都被允许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。

土和岩块的弱点。土和岩块不具备混凝土的强度，可渗透性大，抗流水损坏和干扰的能力差，这些缺点可以由低成本和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和构造岩石。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，水和空气构成，土受荷而压缩，如出现在大坝建筑，排出水和空气导致增加固体物质间的压力，当有很高的渗透比时，土趋向于产生不同的压力和达到临界状态，这时它的状态如同液体。如果达不到这个条件，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，包括日本，美国西部，新西兰，喜马拉雅山和中东，在19xx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不少预料性。而且不完善的弹力分析和不严格的衰减分析使所有类型的大坝都具有一些自由度，不过，电脑计算和模型试验都得到了相当大的发展，现在还可以计算大坝在任何地质运动下的反应。在Tang-e Sdegman大坝和南非的HendriK Verwoerd大坝上使用过，也可以从理论估计中预先考虑地质活动对堤坝的影响。

Lesson 11

第11课 高速公路工程

高速公路工程包括高速公路计划.选址.设计和高速公路保养。当一项高速公路工程设计建设或是改造之前，必须大致地计划考虑一下费用问题。作为概要计划的一部分，该地区在可预见的时段内（如20年）的交通流量，以及何种建设才能满足这种需求将是决定因素。为了评估交通需求量，高速公路工程师通过采集分析现有设备提供的物理数据信息——包括车流量，分布，现有交通工具的特征以及蕴涵在这些因素中的可以预知的变化。高速公路工程师必须决定新路线建筑最适合的位置.布局以及容量。通常情况下，一条初步的线路或选址和若干备选路线都会被拿来研究。细节方面设计通常在一个更佳的选址确定下来之后才开始。 为了选择最佳路线，需要仔细考虑的问题包括：交通需求，（路线）横贯的地带，可通行道路的土地价值以及各种方案的结构开销的预算。在一些大型项目中，利用了航拍技术的摄影测量法被广泛用于显示该地带的特征，这也是一种最经济的方法。在那些小型工程中，地面绘图法已经很完美了。

资金方面的考虑决定了一项工程是一次性实施还是是否必须分阶段建设，每阶段建设等资金到位后才开始。在决定最经济的实施方案时，工程师通过分析它的盈利性来定夺的。高速公路，街道（考虑）盈利性的三个优先顺序（依次）为：使用者，所有权上（最）邻近的所有者，大众。

使用者通过降低运输费用，提高旅行舒适度，增加安全性，节约时间来提高高速公路利润。他们也获得娱乐的和教育上的好处。所有权毗邻的所有者可以通过更好的路线，提升所有权价值，更加高效的警察机关和消防保护，改善停车环境，为步行者提供更安全的交通环境，当地可通行道路（沿线）的公共设施，（诸如）水管和下水道的使用情况。

对通过高速公路建设获得的各种利益的评估通常是困难的，但对一个高速公路工程来讲也是一个最重要的阶段。有一些利益可以被精确计算出，另有一些就具有相当的投机性。因此要使用许多种办法来使（工程）建设（变的）更加经济，并且许多工程上的工作都会牵涉到最佳程序的选择上。

环境价值

环境因素在高速公路建设中正被越来越重视，也突现出越来越高的重要性。由于环境问题导致工程被搁置甚至取消的事例，不胜枚举。环境方面的研究或调查涉及许多因素，包括噪声的产生，空气污染，对横贯地区的扰乱，对现有房屋以及可能的预备路线的破坏。 可通行道路的获得

高速公路工程师也必须协助得到用于新高速公路设备的可通行道路。通向市区商业中心的高速公路建设的土地的获得已被证明是非常困难的。公众需要交通工程师和城市规划者，建筑

师，社会学家，以及所有对美化城市环境，提升城市功能感兴趣的团体紧密合作以确保在协调好所有主要问题（方面）的利益后再（开始）建贯通首要区域的高速公路。主要问题包括以下几点：

（1）高速公路自身的美化问题是否给予了充分的注意？（2）是否为保护城市的自然风光而改变选址？（3）在某些区段需要高架高速公路的有没有一个逻辑上可以替换的降低设计被提出？（4）概略设计对降低由大流量的交通造成的噪音是否有帮助？（5）城市的一些部分是否因为这个提议选址而被独立开来？

细节设计

高速公路工程的细节设计部分包括用于建设的图纸或者蓝图的准备工作。这些计划展示了诸如选址，道路宽度等此类要素的尺寸，道路的最终剖面图，排水设备的位置和种类，涉及的工程量，包括地下地表的工作。

土质研究

在做分层开挖的计划时，设计工程师要考虑在开挖过程中遇到的土的种类或者削平工程沿线的高地后如何处理余土才能把它们最佳地填到需要填土的地方，或是用于该工程穿越的其他地势较低地段的筑堤工程。为此，工程师必须分析土质的等级和物理特性，决定如何才能把路堤尽可能的压实，并且计算要完成的土方工程量。电算程序如今常常被用于最后一个阶段的计算。电子设备也加快了许多其他高速公路工程的计算。大功率，（具有）高度灵活性的土方机械已被研发出来用于快速.经济的（工程）操作的实现。

路面

选择要建设道路表面的类型和厚度是设计中的重要部分。类型的选择取决于该类道路要承受的最大荷载，频率以及其他因素。对一些路来讲，交通量也许会如此之小以至于没有哪类路面被证明是经济的，天然土壤就被用作道路。随着交通量的增加，沙土，碎炉渣，碎石，钠硝石，碎牡蛎壳，或是以上的混合物可以被用来做路面。如果使用砂砾，通常应包含足够的黏土和优质材料来协助提高路面稳定性。氯化钙的使用可以进一步加强砂砾路面的稳定性，同时也有利于控制灰尘量。另一种路面由硅酸盐水泥加水混入路基的上面几英寸并由压路机压实。这一程序构成了土-混凝土复合路基并由沥青质材料做路面。用于大交通量的重型交通工具的道路必须仔细设计并要（设计具有）相当大的厚度。

排水结构

高速公路工程的许多部分是计划和建设用于高速公路或街道排水设备的，以及使得小溪穿过高速公路的可通行段。

将道路或是街道表面的水移走就是表面排水。它是通过建成一条路，中间有顶以及使路肩及其附属区域倾斜，从而将水导向已有的天然沟渠，像敞开的壕沟，或是导向集水箱和地下管道的暴雨排水系统，（来实现表面排水）。如果使用了暴雨排水系统，由于它要和（城市）街道衔接，设计工程师必须考虑街道总的排水面积，期望的最大排水率，暴雨持续时间设计值，每一个集水箱的允许倾注量，以及计划的集水箱沿街间距。通过这些信息，每一个集水箱的期望容量以及地下管网的尺寸才被计算出来。

设计公路下的排水设施时，工程师必须确定需要排水的范围.排水区域最大可能的降雨量.最大可能的流速，然后利用这些资料，推算所需排水结构的负荷量。概略设计中要考虑充分，不仅要适合该地区已有记录的最大流量，而且要考虑在给定年限内在最不利条件下可能发生的最大流量。

开放式管道在计算预期流量是要考虑的因素包括尺寸.长度.开口形状，管壁粗糙程度，入口和下游沟渠末端的形状，入口处允许的最大水位高度以及出口处水位。

休息设施

许多工程和建设工作是完成提供主要高速公路沿线休息场所的，特别是（属于）国家系统的

州际高速公路。这些设施必须仔细布置以便能方便安全的出入高速公路。许多设施做成景观模样坐落于森林覆盖区以便（行人）可以在地上野餐或是在森林中散步。这种休息区特别受到那些跑长途而又很少停车休息的司机的欢迎。

噪声屏障

控制.减少繁忙道路，特别是高速公路，沿线噪声已经变成高速公路工程中非常重要的一部分。在一些社区，人们沿高速公路两侧筑起了高墙。建造这些高墙会很花钱，但是提供了许多便利。隔音栅栏能减少全部噪声量的超过50%。

建设工作

尽管前期要做大量的工程和计划，但实际工程通常是建造高速公路以及街道改造中耗资最大的部分。

立杆定线

根据一份基于细节计划准备和规范的授权建设合同，工程师来到工地现场布置工程。作为立杆定线的一部分，（工程师）要指出土方工程量，排水沟结构的位置，并建立剖面图。 压实（路基）

重型压路机把道路下面的土壤和路基压实为了消除以后的沉降。气胎压路机和羊脚压路机（配有许多小轮齿和轮脚的钢柱轮）常常被租来完成此类工作。近年来，振荡压路机已被开发出用于某些工程。有一种振荡频率高达3400/分的振荡压路机可以压实到一个令人满意的深度范围内的地下材料。

维护和操作

高速公路维护由路面路肩，桥梁排水设备，标志，交通控制设备，防护围栏，行人通道上的斑马线，挡土墙以及边坡的维护和维修等组成。附加工作包括控制结冰和移走积雪。因为搞清楚为什么有些高速公路的设计比另一些高速公路有更佳的功效和更少的用于维护的开销是很值得的，所以负责监理维护的工程师能提供很有价值的引导给设计工程师。总而言之，维护和施工都是高速公路工程的重要组成部分。

Lesson 12

第12课 交通管制

交通管制是一项旨在给在街道和高速公路上做复杂运动的汽车.卡车.巴士以及行人带来秩序和安全的科学工作。交通管制通过在现有的街道和高速公路上疏导交通以及使用各种交通管制设备来改善车辆的运行情况。它还利用先进的技术设计规划出新型的高速公路以满足摩托车驾驶者，行人，特种车辆的需求喜好。

在各个国家中，人们对乘坐汽车出行的信赖度的增加强化了改善高速公路运输的需求。人口向城区流动，在城市上班-----这一变化决定着设计交通容量。另外，对环境质量越来越多的关注强化了充分利用现有街道和高速公路的需求。为了提高安全性和机动性，以及更加充分地利用城市空间，需要有不断提高的更加精细的交通控制的方法。

在工程上，交通控制的方法包括四个基本技术：（1）交通路径选择，包括单行道，直通大街，可回行道和专为卡车.巴士设计的特殊道路；（2）交通规则，包括停车和负载控制，转向控制，速度限制以及高速公路运营。（3）交通管制设备诸如招牌，信号灯，标记（4）实物上的改善，诸如交通渠化和十字路口再设计。

交通路线交通路线设计中最重要的一步是决定城市中每条街道的主要用途。这个决定将更进一步地导致建成能够最好地适应不同部分的交通流和不同种的交通工具的道路。这也是建设符合特殊标准道路的基础。那样也许会最终导致建成一条卡车专用道----一条专供卡车通行的路，适合长途旅行，或者其他一些特殊交通需求的道路。

高速公路系统----极大地趋向于城际间的长途旅行----代表了最明晰的实用性原则----不同的道路系统应该满足不同种类的车辆需求。高速公路通过毗邻？？？？？？？？。大多数高速

公路同样包括高标准的人行道宽度，曲率，照明以及标志。在已建成的城市高速公路部分通常或是低于地面或是被高架起来。降低或是高架的道路就允许其和当地街道之间有合适数目的十字路以及交互式立体交叉。

许多早期的高速路通过环绕城市外围的方式来避免车辆通过市区中心。在许多大城市，交叉通行的车辆只是很小的一部分，并且很多高速路都是为本地车辆使用。高速公路系统有望达到美国城市道路总英里数的5%并且控制半数交通量。

直通大街促进了交通并提高其安全性。在大多数城市，道路系统通过交通信号灯或者禁行标志给予机动车驾驶人员直接通行的路权以及在起与其他街道交叉口出以明确的控制权来保障其通行。一个高效率的直通街道系统是将车辆集中在高质量的街道上，减少在其他街道上的阻塞和事故。同时，一个好的直通街道系统将使直通车辆能够更快地行驶以及提供通往市区的高速公路系统。

单行道系统被广泛用于缓解市中心的交通阻塞。这些系统也用于克服邻近空间交通信号的时间问题。纽约市已在曼哈顿的几乎所有街道和街区采纳了这一方案。类似系统——尽管没有如此广泛，已在大部分的美国大城市中心以及一些小城市普遍采用。该技术已得到世界范围的认可，尤其对那些街道阔宽很困难的城市特别有帮助。单行道消除了道路交叉地段潜在的冲突并且普遍提高了交通安全，加快了行驶速度。

可逆行道路在一天中的不同时段有不同的行驶方向。在非交通高峰期他们可用于双向车道。华盛顿特区在城市的多个主要街道都采用了该系统。

在大多数情况下，可逆行街道比整体街道更加适用。通常情况下，中心街道或是干道分支在交通高峰期将用于分流掌控最大交通流量方向的街道。标志，标记或者头顶信号均被用来提醒司机该道路是可逆的。洛杉机和芝加哥将该实践用于他们的一些最繁忙的交通干道上。 芝加哥，圣路易丝安娜将可逆行道路用于高速公路。在某些高速公路的中心，两侧各修有一条特殊道路，供一天中不同时段车辆逆行使用。因为在高速路上行驶速度很快，通常要使用头顶信号，配以可移动护拦来阻止车辆以错误的方向进入这些车道。

在许多城市里的商用卡车行驶在以重型交通工具标准为依据设计的道路上。好的卡车道路可以帮助卡车避免来自其他交通工具的不必要的干扰。非商用交通工具允许使用卡车道，除非在一些特殊情况下高速公路线被设计成仅供卡车使用。

特殊公交线作为一种辅助运输方式正得到日益增长的关注。纳什维尔，新奥尔良以及费城在市中心都有类似车道供高峰时刻使用。

交通规则交通工程程序包括停车，装载，转向，行人的通行以及车速等规则。一些交通规则必须供车辆通行的地方禁止停车。其它一些规则是关于那些竞争使用但缺乏控制的空间，诸如荷载，长短期停车问题。停车规则有时仅适用于高峰时刻的交通运行。然而，特别是在一些商务区，停车在任何时段均被禁止。

转向限制用于在高峰时期转向会带来交通堵塞或者在任何时刻会造成危险的转向。临时转向限制可以通过信号可改变的或永久性标志或交警来控制。

行人控制被广泛用于许多繁忙的十字路口。通常通过特定时段交通信号灯的交替变化来限制行人通行。这样就减少了行人干涉转向车辆的可能。并且通过告诉行人何时通行不安全来增强路人的安全性。在一些非常规的危险地段会使用一些设施，诸如链条或是篱笆来限制行人通行。此类事物控制设备通常在警告信号没有被给予充分的注意的情况下使用。

步行标志被广泛用于引导行人走人行横道。此类标志的安全性优点通常被认为是由于路人的群体行为而并非由该类标志本身的保护能力所带来的。

速度规则是其中被最广泛地用于交通技术的。这些规则建议机动车辆驾驶员以及交警将行驶速度控制在通常条件下的安全范围内。当代车速区域的划分是以交通工具行驶速度的测量统计为基础，并以提高车流通行为目的设计的，而不是为了随意降低机动车的行驶速度。速度

区域划分在美国比在欧洲更普遍使用，在欧洲许多国家的乡村高速公路通常没有限制最高时速。

交通控制设计交通控制中的标志，标记信号通常随着技术的进步而改变。电脑和远程监视设备使得处理成千上万比特的交通信息成为现实并用来帮助信号计时或者为机动车驾驶员提供可选择道路。

这些先进技术允许交通信号在城市中更广阔的范围内协调控制而不是仅仅局限于一条街道。大范围控制已在伦敦，格拉斯哥以及多伦多得到成功实现。以减少交通堵塞为目的的大区域交通信号协调控制同样具有普通信号灯在互相冲突的交通流中分享路权以及减少潜在事故发生的作用。

交通信号——用于为机动车驾驶员提供合适的通行道路。发出危险警告以及指导车辆的目的地，同样被大大改善了。大部分天然材料的改善源于技术的进步。

材料的进步已在全世界范围内体现在交通控制的设计标准上。特别重要的是交通工程师把“做标志”叫做“在高速公路沿途作记号”设计者需要仔细考虑路标的颜色，象征意义，以及不同标志的形状。这些国际惯例将导致其在美国使用时具有更大的象征意义。

诸如道路中心线以及道路边界线的步行标志会十分有利于指导司机行驶在他所期望的路上或是转弯。高架塑料标记作为一种耐久性材料在承受较大荷载压力的道路以及在雨天提供更加视野方面正在被日益广泛应用。自从机动车驾驶员在现存标志帮助下更加经济地利了用道路空间后，步行标志作为一种从现存道路里走出来的方法正被大量使用。

实物设备的改善大部分实物设备的改善，诸如道路渠化和交互式立体交叉再设计从根本上提高了现有道路的使用情况。道路渠化通常包括增设混凝土岛，为车辆通过复杂大型交叉区域设计出合适道路。同时提高通行效率和安全性等几个方面。道路交叉口再设计通常是针对消除道路瓶颈，例如狭窄路段或使用不便的转弯，或通过改善视野提高安全。

市中心的步行街设计正在越来越多地利用超市设计中的一些技术。商业街通常在商业比较发达的街道发展起来并行人通行，但在紧急情况下可供交通工具行驶。商业街周边通常要有停车点，例如Fresno,Pomona,Calif以及Kalamazoo,Mich.

其他减轻市中心交通拥塞的方法包括在城市边缘划分和运输停靠点想连的停车点。比如在克利夫兰和芝加哥就很常见。或是通过在市中心附近建成若干通向市中心的车辆停泊分流点。例如在圣路易丝安，密苏里州以及华盛顿特区。

为了解决市中心的卡车问题达拉斯在所有新建建筑下建成一套地下停车系统。为了将行人和车辆分开，明尼阿波利斯和伦敦创建了扩展行人天桥和第二道人行道。

Lesson 13

第13课 地下空间的利用

全球城市化进程的加快将会对人类将来的生存方式产生重大影响。随着全球人口的增长以及更多国家要求提高生活水平，世界必须提供更多食物，能源以及矿物资源来维持此增长趋势。解决这一难题的办法有三大渠道复合而成：农业用地的保护从而得到更深入的利用；日益增长的全球城市人口；对保护和改善环境日益增长的关注，特别是关于全球气候变暖以及人口增长带来的影响。地下空间的利用，作为本章要描述的内容，将提供针对这些趋势的解决办法。

通过将特殊器材设备置于地下，城市地表可被更有效地利用，这样就可释放出空间供农业和娱乐使用。类似的，在陡峭的山坡上使用阶地掩土住宅会有助于在多山地区保护宝贵的可耕平地。利用地下空间也可以提高人们在人口高密集去的居住舒适度，改善生活质量。

一城市或当地水准，地下设施的利用正日益满足当今社会对于改善环境的需求。例如不论城市还是农村都需要提高运输，实用以及娱乐服务。世界上许多城市的交通堵塞问题已经处在

满足人类基本生存需求的临界点上，并且在不破坏地表环境的基础上不增加新设施或是不重新规划现有土地及周边地带上的建筑的基础上想要解决这一难题是十分困难的。

以世界上许多国家的国家水平，全球化的趋势导致对煤炭，石油，天然气的开采已达到更深的地层以下，触及更难以让人接受或是更敏感的区域。这些趋势同样导致针对能源繁衍存贮系统以及用于处理危险废料（包括化学，生物以及放射性废料）的国家设施设计的改善和提高，同样也改善了国家高速运输体系。所有这些发展均涉及地下工程。

用地压力

将设施置于地下是缓解由于世界人口增长所带来的城市化问题的一种有希望的办法。虽然世界平均人口密度并不大，但人口分布却极不均匀。世界人口密度图显示世界上大部分地方根本不适合居住。这些大方大部分是沙漠山区，或是极度严寒地带等人类不易居住区。

以中国为例，平均人口密度大概是每平方公里100人，但是10亿多的绝大部分人口居住在少于20%的国土上。这是那些可以提供粮食产品的肥沃土地。然而，由于人口增长和城市化，这些土地同样要被用于创建更广阔的运输系统，被用于工商业的发展，以及日益增长的住房需求。随着人口和经济的增长，农业用地减少，向城市人口运送食物和原材料的问题日益增长。据估计，到20xx年，世界人口的70%将居住在城市。

同样的问题在日本也很明显，大约80%的土地是山区，90%的人口居住在海边平原经济发展集中在几个相关的经济中心。平原通常是最肥沃的土地，从历史上看也是人类的定居地。其他附加于人口密度的因素包括：传统低层的建筑模式，而且日本法律规定必须建造靠近阳光的坚固的维护设施。同样，为了保护家庭粮食生产能力，日本政府保护农业用地。这些历史，政策因素导致大量商业，个人向经济中心移民造成了巨大的土地使用压力。结果是市中心土地价格惊人昂贵（高达50万美圆/平米）并且很难为人们提供住房，交通，设施服务。普通公司雇员无法承担住在他们工作的市中心附近而不得不搭乘公汽单程花1.2个小时从他们负担的起的住处到公司。为了为日益扩大的大城市区域提供服务，市政当局必须升级道路并且兴建新的交通线和设施。东京市中心的土地价格如此昂贵以至于用于购买土地的花费可能会占到工程总花费的95%。

土地使用压力和由于高土地使用价格带来的相关经济影响使得对地下空间的潜在利用的研究变得相当有趣。当地表土地已被利用殆尽，地下空间将变成可开发的区域之一。这为不需深度破坏地表环境而附加需要设备提供了一种可能。虽然没有高额地价，但是建造地下设施的高额花费将是地下空间利用的一大拦路虎。因为地下设施不具有经济竞争力，因此在考虑建造前必须在美学，环境或者是社会效应方面给予综合评估，除非是一些有特殊标志性意义的设施否则将会造成现阶段国家无法承担或是很勉强承担的奢侈浪费。

地下空间规划

对地下空间利用的有效规划是发展地下设施的前奏。这个计划必须是为长远考虑的，并根据人们理想的工作和居住环境重构城市建筑格局。如果地下空间开发可以提供最具价值的长期效益，那么对这些资源的有效计划就应得以实施。不幸的是，在世界范围内，靠公众权力来开发近地表空间已经太迟了。紊乱的设施网络司空见惯归咎于缺乏协调以及使用设施的历史性变革以及交通系统的发展。

地下空间具有如此特征导致要做一个好的规则需要特别注意一些问题

1. 一旦开始地下开挖，土地将被永久改变。地下建筑不象表面建筑那样容易拆掉。

2. 开挖一片地下空间需要一大片土地作为开挖加固区。

3. 土地的地理构成极大地影响了地下设施的种类，形式以及开销。但现有关于地表建筑的知识仅有很有限的内容与此相关，因此需要查阅钻探资料和以前的记录。

4. 大型地下工程需要大量调查，涉及更大的建造问题，工期拖延以及预算超支等风险。

5. 传统规则技术主要侧重于对于城市地形区域的二维描述。这基本上仅适合地表及上部

结构但并不适合建造在处于复杂三维地理环境中的地下结构。用同一种模式来描述这种三维信息并立刻反映到规则评估中是件非常困难的事

例如，在东京，第一条地铁（Ginza线）是在现存地表层设施下作为一个影子工程线路（10m深）建成的。随着填加更多的地铁线，在更深土层中才会发现比较规整的区域。在东京，新的KeiyoJR线深达40m。一条从Marunouchi到Shinjuku的高速干线已被设计到50m深。作为比较在伦敦最深的设施大约70m深，其主要复杂部分以及排水设施至少超过25m综合日益增长的需要，有一个事实就是这类新型运输服务（例如日本的新干线子弹头列车或是法国的TGV）通常需要大量交叉隧道，笔直的队列以及平坦性。如果地下空间不是此类用途，那么城市下面将会产生非常无效率的布局。

环境利益

另一个利用地下空间的主要策略是全球日益增长的对环境问题的关注，并导致人们重新考虑城市的将来和工业的发展。在关注维持生态平衡和环境恶化以及全球有限的自然资源要考虑以下几个问题：

1. 日益增长的能源消费量相对于满足将来需求的有限矿物燃料的贮备

2. 由于燃烧矿物燃料对全球气候带来的影响

3. 工业副产品对环境的污染

4. 对于工业生产及军事演习产生的危险废物的安全处置

在提高经济增长保持工业模式的同时保护环境，延长地球上资源的寿命即使不是一个不可能的问题也是一个很复杂的问题。无论如何，高生活标准和高国内生产总值（GDP）不需要和资源的消耗和环境的恶化程度成比例。

地下空间的利用能从几种途径解决环境/资源的窘境。地下设施以其自身特点成为一种典型的储能设施。更重要的是，通过地下空间的利用，城市人口密度会提高但对环境的影响会减少。相对于保护绿地及耕地等的明显好处，附加于此的好处是------有充分证据显示高城市密度可以减少矿物燃料的消耗。

将来地下空间的发展

虽然在全世界范围内现有的地下设施为将来地下空间的发展提供了一些范例，但他们都在尺寸上，用途上或者对于城市整体环境缺乏考虑。作为更佳细致规划和研究的补充，未来的规划者和设计者已提出对大范围地下结构甚至从整个城市的角度综合考核，将是非常有用的。 90年代地理——一个19xx年4月在日本举行的研讨博览会，主要是一个关于日本地下工业情况的论坛。一大堆关于地下的概念展示出来——从典型的运输使用设施到展望中的用于灾难时刻保护通讯网络的地下走廊。这类走廊对于在城市地铁站和中心生产去附近以及市区外安置地点间运送废弃物和能源也十分有效。这一点不仅缓解了堵塞而且提供了更加有效的能源衍生和废物循环。这些概念都是针对城市建筑的升级，将最终导致地表形成更开阔的空间以及更高效更吸引人的全局环境。

当展望将来城市建设时，地下建筑会成为主要因素——这是建筑师Paolo Soleri在过去30年的幻想杰作。在科幻小说里，未来城市常被描绘成自我供养的，气候可控制的单位，且常常位于地下以避免来自危险或环境污染等因素的侵袭。在这种情况下，地球上的地下城市略不同于以月球或其他孤立环境为基础创建的城市。

Lesson 14

第14课 如何开挖隧道

在一条隧道的大致方向定下来之后，下一步就是调查隧道沿途地层的钻孔资料并获取具体的地层信息。隧道长度和横断面通常由其用途决定，但是其形状必须设计成对内外荷载产生最佳抗力的形式。通常会选择圆形或近似的圆形。

在非常坚硬的岩石中，通常采用钻机和爆破开挖。在软弱到中硬岩石，采用隧道挖掘机是典型的开挖方式。在软弱土层，通常采用盾构和挤压软弱土质的方式向前推进。在所有岩石或土层的开挖方式中，淤泥土要被收集起来运出隧道。在开挖水下隧道时，要采用盾构向前推进。另一种开挖水下隧道的方法是将深管放入河底或水中其他位置的已开挖的深沟中。 硬岩隧道

穿过硬岩石短隧道仅从入口开挖，但是较长的隧道通常是从一个或几个地方同时开挖。有些长隧道是在平行于主隧道开挖的小型导洞辅助下建造的。导洞与主隧道之间每隔一段距离由横巷连通。导洞不仅是通道的附属设施也是运土，通风，排水的通路。

另一种方法是采用正台阶开掘系统，以前被用于大型隧道因为它仅要求更少的火药并且允许同时钻孔和运土（转移开挖材料）上部隧道导向下部——这就叫做阶地，一部分独立的施工人员就可以在上部钻孔的同时在下部运土。

随着隧道开挖方法的改善和机械化，以前仅用于小型隧道的全面施工方法，也开始普遍用于修建大型隧道。这种改变部分原因是隧道钻车——一种装有大量岩石钻头的可移动平台的引进。利用这种设备，一大片隧洞面可同时钻探。全面施工法已变成最普遍最迅速的开挖隧道方法。

软土层隧道

有一些隧道是全部或绝大部分穿越软土层。在很软的土层中很少甚至不需要爆破，因为土质非常容易开挖。

一开始，超前伸梁掘进法是在软弱土层中建造隧道的唯一方法。超前掘进伸梁是一块大约5英尺（1.5m）长并且前端被锐化成一点的重重的厚板。他们被插入隧道表面的支撑柱的顶层水平条内。然后超前伸梁向外倾斜钻入土层表面，在所有顶层杆被插入一半深度后，一根木料被交叉放置在它们的外露端来抵抗所有的外部应变。伸梁就这样提供了一种可以伸缩的坑道支撑，表面在其下伸出来。当杆的末端伸到后，再添加新的木材，伸梁被插入土中供隧道下一节使用。

压缩空气的使用简化了软土中的施工。首先建成一个空气锁，人和设备通过它进出，在开挖过程中，足够的空气压力来维持坑道表面的坚固直至木材或其他支撑设施树起来。

另一种发展是以铸铁或钢铁圆盘嵌固隧道四周其后以水压力盾构支撑。这种铁盘在施工过程中为隧道提供了足够的支撑力，同样为施工人员提供了足够的施工空间。

水下隧道

施工最困难的隧道是在一条河的下面一定深度处或水域其他部分中开挖隧道。在这种情况下，水会通过可渗透材料或裂缝渗出，影响了在上部水压力作用下的隧道施工进度。当隧道穿越粘稠土质时，水的流量也许会小到用水泵就可以抽干。在更大渗透性的土壤中，必须使用压缩空气来排水。所需空气压力随隧道距离表层的距离增加而增加。

实践证明，圆形盾构抵抗软土压力是最有效的，所以大多数盾构掘进的隧道都是圆形的。盾构曾经是由钢盘和角撑组成，再加上前端一个很重的支撑隔层。前端隔层有许多开的门以便工人可以在盾构前部开挖。在进一步的改进中，盾构向河床的粉质粘土中灌浆，通过这种方式将软弱土质从门里挤压进隧道，再从隧道将土运出。柱状的盾构壳可以在隔层前伸长好几尺以提供一个剪切面。后面的部分被称为尾巴向后伸展好几尺来保护施工工人。在大型的盾构机械中，一个起重臂被用在盾构的尾部延隧道四周来代替金属支撑段。

盾构向前移动的阻力可能超过1000磅/平方尺（4880公斤/平方米）。液压千斤顶被用来克服这个阻力推动盾构向前，它能在盾构外侧提供每平方尺5000磅压力（24，500公斤/平方米）

盾构可以通过各种起重机左右上下调整，以适应隧道左右上下的方向。千斤顶延隧道线向每一段向前的装炉内挤浆。整个循环过程是向前推进，定线，运土，然后另一段向前推进。1955

年用于纽约市林肯隧道第三段的盾构长18尺（5.5米）直径31.5尺（9.6米）。每次向前推进32英寸（81.2cm），在其后制作一个32英寸的支撑环。

铸铁段通常被用在这样的盾构后面。它们被立起来并在短时间内熔为一体以提供强度和防水。在林肯隧道的第三节，每段7尺（2m）长，32英寸（81cm）宽，14英寸（35.5cm）厚，重大约1.5吨。这些段由14个小片段环熔合在一起。这种熔合的加紧先由手工后由机器完成。一旦它们就位，这些片段被旱在一起以保证永久性防水。

水下隧道

当河床心土很坚固并且河水水量当前不是很充足的时候，岸边制造的隧道段可以拉到一个河床中已经准备好的壕沟里并沉入水底以形成一个水下隧道。第一个主要的预制漂浮式沉管隧道是位于安大略省的底特律和Windsor之间的底特律河隧道。这条运输隧道建于1906-19xx年。第二条类似方法建成的主要运输隧道是Posey隧道，竣工于19xx年。它位于加州的奥克兰和Alameda之间的一条咸水河中。从那以后许多其他水底隧道被建于水下或是咸水区域中，特别是位于奥克兰和圣弗朗西思科的Transbay隧道。

柱状隧道段通常位于向河岸的场地并由钢铁制成。每段大约300尺（90m）长，28到48尺（8.5-14.6m）的半径。在每一段末端的开口处后面是用钢制挡水墙封口，管子准备成发射船的样式。节段一旦放入水中，将使用混凝土压载直到达到最小浮力。然后这个节段被拖到隧道指定位置。在每一个节段就位之前，挖泥船和水下挖掘机会为隧道挖出一个合适深度的壕沟。当这个管段被精确地放到它最终就位的位置时，灌浆直至它沉到合适的沟槽里。隧道的所有分段以同样方式运输和下沉就位。

每段都有施工缝或是凸盘通过阴阳榫电焊来拼装起来或是和前面段衔接。在每一段及其后续段下沉之后，潜水工人通过螺栓将接合处上紧啮合。钢盘被沿着两个封闭的挡水墙之间的连接处滑下。连接处再用混凝土焊在一起以增强段与段之间的防水性。当所有的段被就位并连接好后，上面再填土以给予其稳定性和保护。从这个意义上讲，水下管道技术是老式挖填土方法在水下的应用。

当施工结束时，工作人员从隧道每一节末端进入并在进入管道中心时推掉挡水墙。然后再用混凝土做管道内衬以获得更好的外形和更大的安全性。随后贴瓷砖，做风道衬里，安电线，水泵，管道等。

Lesson 15

第15课土力学

土力学研究的是力学和水力学的法则在牵涉土的工程问题中的应用。土是一种天然矿物颗粒的聚集物，有的含有有的不含有机成分，它由岩石的风化或是机械作用形成。它包括三种成分：固体矿物质，水以及空气和其他气体。土质组成变化很大，正是这种不均质性大大地阻碍了科学家对这些沉积物的研究。渐渐地，对挡土墙，基础，护堤，人行道和其他结构的事故的调查发现其原因涉及到许多天然土的知识并且它们的工况充分提高了土力学作为工程科学的一个分支。

历史

直到18世纪后半期，法国物理学家查尔斯-奥斯丁库仑出版他的土压力理论（1773年）之前，以科学的基础处理土的问题几乎没有任何进展。1857年，苏格兰工程师威廉姆朗金发展了一种土体平衡理论并将其用于一些初步的基础工程问题。这两大理论仍然构成了当今计算土压力理论的基础，尽管他们建立在所有土都象干沙一样不考虑内聚力这一错误概念的基础上。二十世纪的进步在于：把内聚力引入计算；了解了通常情况下土的基本物理特性和特殊情况下粘土的特性；系统地研究了土的剪切特性，即——滑动剪切条件下的变形。

库仑和朗金土压力理论都假设土的剪切破坏面在一个平面内。然而对于砂土来说这是近似可信的，有内聚力土的滑动剪切面接近一个曲面。在二十世纪早期，瑞典工程师证明滑动剪切

面是一个圆弧面。上个世纪后半段，在土的科研，理论的应用以及用于工程设计的经验数据方面都有了明显进步。

一个显著的进步是德国工程师卡尔泰沙基在19xx年出版了一本关于粘土在许用应力下固结情况的力学调查。他的被工程经验证实的分析解释了在充分渗透的粘土上沉降随时间增长的问题。泰沙基在19xx年出版了Erdbaumechanik(“土力学”)一书后开辟了土力学时代。 关于地基材料，人行道下的天然基础的研究始于19xx年美国公共道路局。他们做了一些关于人行道设计的和天然土有关的简单实验。在英格兰，道路研究司创建于19xx年。19xx年第一个岩土方面的世界会议在哈佛举行。

今天，市政工程极大地依赖于实验的大量数据来巩固经验以及与之相关的新的问题来建立解决方案。获得这样的土质实验的典型例子，无论如何是很极其困难的；因此有一种在实验室做比例模型来代替这种现场实验的趋向，并且许多重要的性质都是由这种方法得到的。 土的工程性质

决定土的工程适用性的性质包括：内摩擦力，内聚力，压缩性，弹性，渗透性以及毛细性。 内摩擦力是土体抵抗滑动的力。砂土和砾石土比粘土有更大的内摩擦力；后期水气的增加会降低内摩擦力。土在重结构压迫下滑动的趋势可以转化成剪力；即使一部分土体在一个平面内水平的竖直的或其他方向的移动。这样一种剪切移动会给建筑带来危险。

内聚力可以减少这种剪切危险，这是由土颗粒间分子力产生的土颗粒之间相互吸引作用以及土粒间存在水气造成的。内聚力明显受土粒间大量湿气影响。内聚力在粘土中通常很大而在砂土和淤泥土中几乎不存在。内聚力值从干砂土的0到很粘稠的粘土2000磅每平方英尺之间变化。

因为可以通过碾压，夯实，振捣或其他方法压实土以增大其密度和提高其承载强度，所以可压缩性是土的一个重要特性。

弹性土在受压后趋向于恢复到初始条件。弹性（延性）土不适合作为柔性人行道的地基因为他们会在上面交通的作用下压缩延展导致地基沉陷。

可渗透性是土体允许水流通过其中的性质。冬季的冻融循环和夏季的干湿循环改变了土颗粒的填实密度。压缩可以减小渗透性。

毛细性导致自由水延土中孔隙上升到正常水平面以上。在多数土中都存在毛细性所需要的许多管道；在粘土中，水汽可在毛细作用下上升达30英尺。

土壤密度可以通过测量土的重量和体积来计算出或是通过特殊仪器测得。土的稳定性可以通过一种叫做稳定性试验机的设备来测量，它可以测量由交通荷载产生的水平压力。固结是由特殊荷载条件下产生的压缩或是土粒挤压在一起而发生的；这一性质也可以测量出。 基地勘探

土质调查是对将要承受工程冲击的天然及其扩展部分的土层数据的采集。花费在基地勘探上的工夫取决于工程的大小以及工程的重要性；勘探方法从肉眼观察到精细的地表下钻孔采集土样并做实验室测试。采集代表土样对于土层准确地鉴别和分类十分重要。采样数量取决于数据要求的精确度，土质的分类以及工程量的大小。通常情况下，在一个地方的天然剖面中，深度方向比水平方向有更多的土质分类参数。采集复合样品对于任何已知水平层来说都是不合适的，因为这样不能真实代表任何一处并且可能会误导。即使是水平层很细小的参数变动也要仔细表注出。土壤粒径的非类以及液限塑限的确定都是十分重要的步骤。

对原位实验中获取的数据的最终用途的了解很重要。场地条件的进一步信息对于规划任何勘探项目都是很有帮助的。地形学，地理数据（地面露头，道路河流切面，湖底，气候残留物等），古生物图，航拍照片，井道日志，开挖情况等信息都是很有价值的。地理勘测方法修正出有用的数据。电阻测量可提供若干土质内部参数。地震技术通过测量穿过土层的爆炸冲击波的波速来确定不同的地下土层参数。冲击波穿过不同土层的速度差别很大。通过测量冲

击波从发出到触及基岩反射回来所需的时间可以确定基岩的深度。

所需要的表层信息只能通过开掘来获得。探针插入土中以显示穿透阻力。水枪或是麻花钻机用来将地表下的材料带到地表以上以获取土层信息。土的颜色的改变是此类实验可以显示的一个重要元素。多种钻探方法用于从地下获取土条。地堑或是坑可以提供浅层土质更完整的信息。如果遇到坚硬的岩石可以使用气钻或是钻石钻。至少要有一部分钻孔的深度要超过建筑结构的压力深度设计值。

避免取样对结构扰动的影响对一些实验不是很严格但是对原位密度以及剪切强度的测量影响很大。

完整和精确的记录，例如钻孔记录必须准备好保管好，并且样品自身也必须保管好供将来校对时用。

Lesson 15

第15课土力学

土力学研究的是力学和水力学的法则在牵涉土的工程问题中的应用。土是一种天然矿物颗粒的聚集物，有的含有有的不含有机成分，它由岩石的风化或是机械作用形成。它包括三种成分：固体矿物质，水以及空气和其他气体。土质组成变化很大，正是这种不均质性大大地阻碍了科学家对这些沉积物的研究。渐渐地，对挡土墙，基础，护堤，人行道和其他结构的事故的调查发现其原因涉及到许多天然土的知识并且它们的工况充分提高了土力学作为工程科学的一个分支。

历史

直到18世纪后半期，法国物理学家查尔斯-奥斯丁库仑出版他的土压力理论（1773年）之前，以科学的基础处理土的问题几乎没有任何进展。1857年，苏格兰工程师威廉姆朗金发展了一种土体平衡理论并将其用于一些初步的基础工程问题。这两大理论仍然构成了当今计算土压力理论的基础，尽管他们建立在所有土都象干沙一样不考虑内聚力这一错误概念的基础上。二十世纪的进步在于：把内聚力引入计算；了解了通常情况下土的基本物理特性和特殊情况下粘土的特性；系统地研究了土的剪切特性，即——滑动剪切条件下的变形。

库仑和朗金土压力理论都假设土的剪切破坏面在一个平面内。然而对于砂土来说这是近似可信的，有内聚力土的滑动剪切面接近一个曲面。在二十世纪早期，瑞典工程师证明滑动剪切面是一个圆弧面。上个世纪后半段，在土的科研，理论的应用以及用于工程设计的经验数据方面都有了明显进步。

一个显著的进步是德国工程师卡尔泰沙基在19xx年出版了一本关于粘土在许用应力下固结情况的力学调查。他的被工程经验证实的分析解释了在充分渗透的粘土上沉降随时间增长的问题。泰沙基在19xx年出版了Erdbaumechanik(“土力学”)一书后开辟了土力学时代。 关于地基材料，人行道下的天然基础的研究始于19xx年美国公共道路局。他们做了一些关于人行道设计的和天然土有关的简单实验。在英格兰，道路研究司创建于19xx年。19xx年第一个岩土方面的世界会议在哈佛举行。

今天，市政工程极大地依赖于实验的大量数据来巩固经验以及与之相关的新的问题来建立解决方案。获得这样的土质实验的典型例子，无论如何是很极其困难的；因此有一种在实验室做比例模型来代替这种现场实验的趋向，并且许多重要的性质都是由这种方法得到的。 土的工程性质

决定土的工程适用性的性质包括：内摩擦力，内聚力，压缩性，弹性，渗透性以及毛细性。 内摩擦力是土体抵抗滑动的力。砂土和砾石土比粘土有更大的内摩擦力；后期水气的增加会降低内摩擦力。土在重结构压迫下滑动的趋势可以转化成剪力；即使一部分土体在一个平面内水平的竖直的或其他方向的移动。这样一种剪切移动会给建筑带来危险。

内聚力可以减少这种剪切危险，这是由土颗粒间分子力产生的土颗粒之间相互吸引作用以及

土粒间存在水气造成的。内聚力明显受土粒间大量湿气影响。内聚力在粘土中通常很大而在砂土和淤泥土中几乎不存在。内聚力值从干砂土的0到很粘稠的粘土2000磅每平方英尺之间变化。

因为可以通过碾压，夯实，振捣或其他方法压实土以增大其密度和提高其承载强度，所以可压缩性是土的一个重要特性。

弹性土在受压后趋向于恢复到初始条件。弹性（延性）土不适合作为柔性人行道的地基因为他们会在上面交通的作用下压缩延展导致地基沉陷。

可渗透性是土体允许水流通过其中的性质。冬季的冻融循环和夏季的干湿循环改变了土颗粒的填实密度。压缩可以减小渗透性。

毛细性导致自由水延土中孔隙上升到正常水平面以上。在多数土中都存在毛细性所需要的许多管道；在粘土中，水汽可在毛细作用下上升达30英尺。

土壤密度可以通过测量土的重量和体积来计算出或是通过特殊仪器测得。土的稳定性可以通过一种叫做稳定性试验机的设备来测量，它可以测量由交通荷载产生的水平压力。固结是由特殊荷载条件下产生的压缩或是土粒挤压在一起而发生的；这一性质也可以测量出。 基地勘探

土质调查是对将要承受工程冲击的天然及其扩展部分的土层数据的采集。花费在基地勘探上的工夫取决于工程的大小以及工程的重要性；勘探方法从肉眼观察到精细的地表下钻孔采集土样并做实验室测试。采集代表土样对于土层准确地鉴别和分类十分重要。采样数量取决于数据要求的精确度，土质的分类以及工程量的大小。通常情况下，在一个地方的天然剖面中，深度方向比水平方向有更多的土质分类参数。采集复合样品对于任何已知水平层来说都是不合适的，因为这样不能真实代表任何一处并且可能会误导。即使是水平层很细小的参数变动也要仔细表注出。土壤粒径的非类以及液限塑限的确定都是十分重要的步骤。

对原位实验中获取的数据的最终用途的了解很重要。场地条件的进一步信息对于规划任何勘探项目都是很有帮助的。地形学，地理数据（地面露头，道路河流切面，湖底，气候残留物等），古生物图，航拍照片，井道日志，开挖情况等信息都是很有价值的。地理勘测方法修正出有用的数据。电阻测量可提供若干土质内部参数。地震技术通过测量穿过土层的爆炸冲击波的波速来确定不同的地下土层参数。冲击波穿过不同土层的速度差别很大。通过测量冲击波从发出到触及基岩反射回来所需的时间可以确定基岩的深度。

所需要的表层信息只能通过开掘来获得。探针插入土中以显示穿透阻力。水枪或是麻花钻机用来将地表下的材料带到地表以上以获取土层信息。土的颜色的改变是此类实验可以显示的一个重要元素。多种钻探方法用于从地下获取土条。地堑或是坑可以提供浅层土质更完整的信息。如果遇到坚硬的岩石可以使用气钻或是钻石钻。至少要有一部分钻孔的深度要超过建筑结构的压力深度设计值。

避免取样对结构扰动的影响对一些实验不是很严格但是对原位密度以及剪切强度的测量影响很大。

完整和精确的记录，例如钻孔记录必须准备好保管好，并且样品自身也必须保管好供将来校对时用。

Lesson 17

第十七课 结构工程

结构工程是土木工程的一个专业分枝，土木工程涉及到公路，桥梁，大坝和公共事业线等工程的设计，施工和建筑物施工控制。

设计包括制定要做任务的时间表，选择对工程最合适的结构型式和设备。施工需要适时安排工作需要的全部图纸，设计和材料以避免耽搁工期。控制由进度分析和费用分析组成，确保

工程按时和在估计的费用内完成。

计划。计划开始于建筑物的详细调查和工程设计书。通过调查，所有工作项目清单被准备好，相关的项目被收集起来列成一个主要的计划表。建筑步骤和每个项目分配的时间接着被列出来。选择被用在各个工作项目中的施工方法和设备以确保工期和工程特性花最可能少费用。 总的时间量分配给施工过程和选择施工方式和选择按合同所得到的设备。在主要的或一般的建筑物进度表绘制完成后，次要的详细进度表根据主要进度表准备。这些包括获得材料，设备和劳动力的单个进度表，也有费用和收入的预算表。

施工。工程的快速施工要求当需要时有稳定的材料，设备和劳动力供应。结构工程主要对购买大部分建筑材料和运输它们到工地上负责。一些材料，如结构用钢和机械设备，需要供应者部分或全部制作。

对于这些制作的材料，工程师必须准备或检查所有的制作图纸以便精确地检查组装工作，检查供货商的制作过程。

其他结构工程的职责是通过研究方法安排工作，准备详图以便阐明设计工程师的建筑图，检查工作以确保它符合计划和规范。

在大多数大型工程里，有必要为临时性结构如排水结构，道路，办公和储存结构，模板和挡土坝设计和准备结构图纸。另外的问题在于电力和机械工具的选择，以及混凝土材料的处理，混合设备，压缩空气，水，电力系统分配的结构特性的设计。

控制。进度控制靠对比实际施工过程和建立在主要或详细进度表上的期望施工过程获得。既然工程的某个特性很容易影响整个工作，那么通常要增加设备或人员以加快工作。

费用控制靠对比实际每个工程项目费用和工程初的预算获得。施工的总费用除以施工项目数就是单个项目费用。

土方开挖或混凝土施工以体积作为典型的计价单位，结构用钢用吨作为计价单位。任何时候累积的项目费用除以累积的工作过程就是任何项目的实际单位费用。

个别的工作项目费用靠定期的发放工作费用如工资表，和发放到各种工作项目账户上获得。工资表和设备租金根据全体工头准备的时间卡片分配。卡片指出了全体人员设备在不同的工作单元上花费的时间材料费用的分配是基于用在每个专门项目上的每种类型的材料的量。 当实际费用和估计费用的对比表明过量时，分析原因。如果是设备费用过量，那也许是设备能力不够，或是不适合工作。如果是劳动力费用过量，那也许是人员过多，缺乏合适的管理，或者是被缺乏材料或安排布置耽搁了。在这种情况下，分析生产能力时，时间研究是无价的。 建筑施工根据专业领域分类。这些包括，工程场地准备，挖填土地基处理，刚材定位，物体定位，沥青铺设和电力及机械设备安装。这些领域应用到不同的工程如建筑，大坝，机场的施工方法一般是一样的。然而，在不同的情况下，各个领域的重要性不同。

场址准备。这包括除去和清理所有表面结构和拟建建筑物场地的生长物。推土机用在小型结构和树木的情况下，大型结构必须被拆除。

挖填土。这包括土方开挖和回填土。土方开挖在场址准备之后进行。当现存的阶地必须降到一个新的高度时施工。土方开挖开始于单独除去表层的有机土。表层土后来重新用作美化新结构。这也能阻止地表土下的无机材料的污染，它也许被用作填方。土方开挖由这样挖掘机如单斗挖土机，拉铲挖土机，抓斗，起重机和铲运机中任何一种完成。

在地上进行有效的开挖需要干燥的开挖环境，因为当土湿了时会不稳定并且不能为开挖和拖拉设备提供支撑。当开挖线位于天然水位以下时，排水成了一个主要工作。排水拦截地下水流动。当这发生时，排水和稳定土体靠沟渠完成，沟渠引导渗出的水流到一个集水坑，水在那里被泵送出去。排水和稳定土体也许靠其它方法如井点和电渗完成。

一些材料，如岩石，粘性砾石和硬质粘土需要爆炸成松散态，或把材料裂成碎片。爆炸孔钻在材料上，然后爆炸物安装在孔中爆炸。爆炸物的量和爆炸孔的空间尺寸决定于岩石的结构

和类型以及爆炸孔的直径和深度。

填土完成后，通常要压紧以阻止随后的下沉。通常靠当被定位时由拖拉机拖着的羊脚，格子，充气橡胶，振动的滚筒完成压密工作。手工控制，汽油驱动的前膛被用来压实没有空间给滚筒操作的结构物附近。

地基处理。当地下探测表明支撑结构的地基有缺陷时，地基必须被加固。水流失，洞穴，裂缝，缺陷或其它的不足靠灌浆填补和加强。灌浆就是高压喷射流动混合物。流体在虚空层凝固。大部分浆液是水泥和水的混合物，但是其它的混合物材料有沥青，水泥，粘土和凝结的化学物质。

钢材组装。钢结构建筑物由轧钢厂和制造厂的钢材组装而成。钢结构由梁，柱或靠铆接螺栓连接以及焊接连接在一起的小桁架组成。在制造车间组装部分结构比在现场更积极，但组装单元大小受运输能力和安装设备限制。在高层结构里，塔架必须经常拆除和重新组装以便连续的把结构开到更高的地方。对于河上的桥，钢结构也许靠驳船或当桥很高时，在正在安装的桥上移动塔架来组装。长悬索桥上的钢索靠卷扬机装在合适的地方，在锚固点安装。在对面的锚固点重复操作，直到所需要的钢索安装完为止。

混凝土结构。混凝土结构由一些操作组成：支模，混凝土浇捣，定位，养护。支模要求保持和支持所需要的流动的混凝土直到它硬化并且能支撑自身。模板由木材或钢材或两者组成，它在混凝土定位期间，靠外部支撑和内部结点结合在一起。模板和结点被设计成能支撑临时的流动混凝土的压力。

对竖直墙来说，在混凝土定位后至少一天才能进行拆模操作。当混凝土硬化或凝固了才能拆模。当模板常移动时，滑模是一个方法，提高到达新鲜混凝土高度处。模板靠千斤顶升起来，千斤顶安装在嵌入在混凝土中的底盘上，沿着结构周围间隔布置。滑板用在高耸结构中如：筒仓，油罐，烟囱。

混凝土通常由两种途径获得：如果工作点距混凝土搅拌站不远，就用搅拌车从商品混凝土厂运过来，否则就在现场浇筑。现场生产混凝土需要安装搅拌机，获取水泥和骨料，操作搅拌机，骨料在工作点或附近生产。这就需要空旷的采石场和安装处理设备如压碎机和筛子。 混凝土靠直接从搅拌车上用斜槽运送或靠装在桶中用起重机械或缆绳提上来，或靠特殊的混凝土泵泵送上来。

暴露外部的补强要求阻止混合水的蒸发或补充蒸发掉的水。发展到设计强度要求合适的水和水泥平衡。

铺设到飞机场和公路上的混凝土完全是机械操作，来自搅拌车或可移动的铺路车，混凝土被放置在路模中，铺路车是搅拌和定位统一的车。行走在模板上的一系列专门设备。接着展开和震动混凝土，抹平表面，切除收缩节点，作用一种补强混合物。

铺设沥青。这是压碎了的集料和沥青粘合剂的混合物。它也许分别铺设在路基中或在搅拌车上搅拌然后立即在路基中展开。接着路面被滚筒压实。

Lesson 22

第十八课 建筑材料

建筑材料必须有一定结构上的使用性的物理特性。首先，它们必须能够承担荷载或重量而没有永久性的变形。当荷载作用在结构构件上时，构件将变形，那就是说绳索将被拉伸或梁将弯曲。然而，当荷载被移去时，绳索和梁将回到原始位置。这种材料特性就叫做弹性。如果材料不是弹性的，那么在移去荷载后变形存在，重复加载和卸载最终增加变形到结构失去作用。所有用在建筑结构里的材料如石材，砖，木材，铝材，钢筋混凝土和塑料在一定范围内的荷载作用下表现弹性。如果加载超出了范围，两种情况会发生：脆性和塑性。如果是前者，材料将突然破坏；如果是后者，在一定荷载（屈服强度）材料开始屈服流动，最后导致破坏。例如，钢材呈现塑性，石材是脆性。材料最终强度由破坏发生时的应力决定。

建筑材料的又一个重要特性是它的刚度。这个特性由弹性模量决定。应力（每单位面积上的力）与应变（每单位长度上的变形）的比率就是弹性模量。弹性模量就是描述材料在荷载作用下的变形能力。对于两种有相同面积且荷载相同的材料。弹性模量大的材料变形小。结构用钢的弹性模量是 磅每平方英寸或千克每平方厘米，是铝的3倍，混凝土的10倍，木材的15倍。

砌体。砌体由天然材料如石材和人造材料如砖，混凝土块组成。砌体在古代就被使用了。砖用在巴比伦城市非宗教的建筑物，石材用在尼罗河谷的大寺庙。埃及金字塔，高481英尺（147米），是最壮观的砌体结构。砌体单元最初没有用任何粘结材料堆起来，而现代砌体结构用水泥浆作为粘结材料。现代结构用材包括石，红烧粘土砖或瓦，混凝土块。

砌体本质上是一种受压材料，它不能承受拉力，砌体最终强度取决于砌块和泥浆。最后强度在1000至4000磅每英寸（70至280千克每平方厘米）范围内变化，取决于砌块和泥浆粘结情况。

木材。木材是一种最早的建筑材料而且是一种少有的抗拉性能好的天然材料。世界发现了好几百种木材，并且每种都存在不同的物理特性。只有一些用在建筑结构中作框架构件。在美国，例如，在超过600种木材里，只有20种用在结构中。这些一般是针叶树或是软木，两者都是因为丰富和木材容易成型。在美国，更多普通用在结构中的木材种类是美国松，云杉和红木。这些木材的抗拉强度在5000至8000磅每平方英寸（350至560千克每平米）范围内。硬木最初用作细木家具和内部装饰如地板。

由于木材纹理特性，它沿着纹理的强度大于横向纹理的强度。木材抗拉强度和顺纹抗压强度特别大，并且它有很大的抗弯强度。这些特性使它很适合作结构中的柱和梁。木材作为桁架的抗拉构件是无效的，因为桁架构件的抗拉强度取决于构件间的结点，虽然生产出了很多利用木材抗拉强度的金属连接件，但是很难设计出顺纹方向的抗剪强度或抗拉强度关系不大的构件。

钢材。钢材是一种重要的结构材料。当对比起其它材料受等重量时，它有很高的强度，即使它等体积的重量是木材的十倍。它的弹性模量很大，结果在荷载作用下变形很小。它能轧制成很多结构形式如工字型梁，板。它也能铸成复杂样式，它也能生产成绳索型式用作悬索桥和吊顶里的缆绳，生产成电梯绳和预应力混凝土里的拉杆。钢构件可以通过很多方式连结在一起，如螺栓连接，铆接和焊接。碳素钢易遭受氧化锈蚀因此必须靠喷漆或插入到混凝土中来避免与空气接触。超过钢材很快失去了强度，因此必须套一个耐火材料（通常是混凝土）以便增加其耐火能力。

添加像硅或锰这样的合金元素，会得到抗拉强度达250000磅/平方英寸（17500千克/平方厘米）的高强钢筋。这些钢用在结构关键部位，如摩天大楼的柱子。

铝。当轻质，高强和抗锈蚀都成为重要因素时，铝就成了一种特别有用的建筑材料。因为纯铝是极其软和延性的，所以，合金成分，如锰，硅，锌和铜必须加进去增加结构所需强度。结构用的铝合金表现弹性。它们的弹性模量是钢材的1/3，因此在同样荷载作用下变形是钢材的3倍。每单位铝合金重量是钢的1/3。因此相同强度下，铝合金构件比钢构件重量轻。铝合金的极限抗拉强度变化幅度在20000至60000磅/平方英寸（1400到4200千克/平方厘米）之间。

铝能塑成很多形状，它能被挤压形成工字梁，拉成绳和杆，轧制成箔和板。铝构件能像钢用同样的方法：铆接，螺栓连接，低强度的焊接连接起来。除了用作建筑框架和预制房，铝也广泛用作窗框和结构幕墙框。

混凝土。混凝土是水，砂，石料和普通硅酸盐水泥的混合物。碎石，人造轻质石，和贝壳被用在天然石料场。普通硅酸水泥是包含钙和粘土的混合物。在窑里加热，然后研磨成粉。混凝土强度来源于混合了水的粉状的普通硅酸盐水泥，然后硬化。在一个理想的混合物里，混

凝土由3/4体积的砂和石料和1/4体积的水泥浆。混凝土的物理特性对混合物成分的变化很敏感，因此必须根据强度或收缩设计成分的配合比以达到特别的结果。当混凝土倾倒在模板里时，它包含自由水，不再需要水化作用的水会蒸发掉。随着混凝土的硬化，它在一定时期内释放出多余的水，并且收缩。由于收缩，细裂缝产生了。为了把收缩裂缝减少到最小，混凝土硬化时必须保湿至少5天。混凝土强度随时间增长，因为水化过程会持续几年；实际上，28天强度就被认为是标准的。

混凝土在荷载作用下是弹性变形。虽然它的弹性模量是钢的1/10，但是变形却一样，因为它的强度也只有钢的1/10。混凝土本质上是一种抗压材料，它的抗拉强度可以忽略不计。 钢筋混凝土。钢筋混凝土由置于到混凝土中的钢筋承担拉力。这些钢筋直径在0.25英寸（0.64厘米）和2.25英寸（5.7厘米）之间，表面有刻痕以确保粘结住混凝土。虽然钢筋混凝土在很多国家有所发展，但是它的发现要归功于一个法国园艺师,Joseph Monnier在1868年用一个钢筋网加强混凝土筒。这个操作是可行的，因为当温度变化时，钢筋和混凝土同等的膨胀和收缩。如果不是这样的话，温度改变时，钢筋和混凝土之间的连接被破坏，因为两种材料的反应不同。钢筋混凝土可被浇筑成各种形状，例如梁，柱，板和拱。因此，它易适用于建筑的特殊结构。虽然大部分商品混凝土强度在6000磅/平方英寸（420千克/平方厘米），但是钢筋混凝土的极限抗拉强度超过10000磅/平方英寸（700千克/平方厘米）是有可能的。 塑料。由于品种多，强度高，耐久性和轻质,塑料迅速成为重要的结构材料。塑料是合成材料或树脂，能被塑成任何期望的形状并且用有机物作胶结剂。有机塑料分成两类:热固性和热塑性。热固性塑料在加热时通过化学物质的变化变得坚固，一旦成型，这些塑料不能再被铸造。热塑性塑料在高温时是软弱的，变得坚固前一定要冷却，这种塑料一般不用作结构材料。虽然尼龙抗拉强度达到60000磅/平方英寸（4200千克/平方厘米），但是大部分塑料的极限强度在7000至12000磅/平方英寸（490至840千克/平方厘米）范围内。

Lesson 19

第十九课 结构分析

所有结构必须设计成能承担荷载而不能有整体倾覆或构件破坏的危险。一种确定结构安全的方法是确保由荷载产生的应力和应变小于设计规范的允许值。确定结构的应力和应变是结构分析的最初目的。

一般说来，结构分析首先是检查结构的整体稳定性。这包括确定结构的支撑反力。如果支撑足以承担力，它们反作用给结构等值反向的力。

如果电脑计算表明结构的反应平衡了荷载（结构自重，人群荷载，储存材料，交通工具，风载和地震力），结构就处于静力平衡。

下一步是确定结构内力和构件单元体上的应力。最后，如果需要的话，计算结构整体变形和构件的变形。靠原理和概念如静力平衡定律使这些步骤变得容易。这些工具是基于结构在荷载作用下是弹性的这个假设，即：应力与应变成正比。

对框架构件进行应力应变的结构分析包括考虑静荷载如构件和楼板自重，建筑固定设备，和活荷载（当成静止考虑）和动荷载如风荷载和地震荷载。由于风荷载的特征是缺乏更多信息，风荷载被当作静止作用在结构上。计算荷载的方式和荷载作用结构上的位置由当地建筑规范限定。另一方面，地震运动作用在建筑物地表下的基础上并且被认为是随机荷载。

重力和风荷载的分析是应用线弹性静定和超静定结构的常规分析法来进行的。对于地震荷载，被设计成传统矩形形状的建筑物是由当地建筑规范规范的等量侧向荷载方法所分析的。这些动力分析方法需要了解建筑结构的动力原理和振动原理。正是这样，由于方法的复杂性，需要高精密的计算机求解很多结构动力学方程。

总的来说，分析的标准程序是考虑建筑物的线弹性行为。然而，分析地震作用下建筑物避免

倒塌时，必须考虑非线性动力行为。

基本原理。在结构分析中，平衡定律是基础。它计算梁，桁架，框架，拱和其它结构的外部反应及内部应力时是很有用的。例如，图一结构上作用有共面但不共点的力或者是荷载系统和反力。如果结构是稳定的，这些必须平衡。

如果平衡，结构必须满足三个条件：（1）所有力的水平分力的和必须等于零；（2）竖向分力之和等于零；（3）关于任何一条垂直于平面的轴的矩之和为零。

三个独立方程决定三个未知力。因此，这些平衡方程能直接计算反力，弯矩和剪力，当然也有应力。当满足这些方程时，结构就被认为是静定的。图1a是一个这样结构的例子，有三个未知力——左边反力的竖向和水平分力和右端竖向反力。

图1b中的结构没有反力去平衡水平荷载，图1c没有承担力矩的力。不满足平衡定律。它们都是不稳定的。

另外一个结构分析的基本工具是叠加原理。内容是：在合力作用产生的应力没有超材料弹性极限情况一组力产生的总的弯矩，剪力，应力和变形，等于荷载单独作用下产生效应的总合。 图1：作用了力系统的结构。（a）稳定结构。（b），（c）不稳定结构。三角形表示固定铰支座，圆形表示可动铰支座。

超静定结构。当构件反力数量超过了当平衡存在时满足荷载和反力的独立方程的数时，结构是超静定的。例如，如果图2（a）的刚架柱固定在基础d和e中，将有6个反力，如图2（b）所示。结构将是三重超静定，有6个未知数，然而平衡定律只允许有三个方程。

近似方法分析超静定结构是可行的，这些方法是基于精确的分析和检查柔性材料模型的结构。这样的研究显示刚框架在基础抵抗弯曲，在构件中点附近弯曲反向。如图2（c）所示，在这些点弯矩为零。因此，反弯点相当于铰接接点。

图2：静不定结构。（a）构件配置。（b）P力在d,e点对应的水平反力是和，垂直犯力是和，弯矩是和。（c）变形。反弯点或者说是弯曲改变点是f，g和h。

如果它们在梁和柱中的位置假设如图2所示，并且如果也假设柱的剪力等于侧向荷载的一半，那么从平衡方程也许可以确定反力。同样的近似方法（由下面部分描述）已经用来估计风荷载在框架里产生的应力。（图3）

图3：图上表示建筑物框架用认为反弯点在柱和梁中点的近似方法计算风载下的应力。 近似方法。多层框架中计算风载应力的门架式解法假设：柱和梁的中点存在反弯点，每根内柱承受的剪力是每根外柱承受的剪力的两倍。这样就使结构变成静定的。

悬臂解法同样是假设柱和梁的重点是反弯点。然而，它进一步假设柱的应力随着距柱中轴线，即柱的重力中心的长度而变化。和门式框架解法一样；也产生了一个静定结构。其它决定水平荷载作用下多层框架的反应的近似解法考虑构件的刚度，这包括Witner K-百分数法，因素法和C法。

在一段时期里，即精确解法是很费力和耗时的卡氏定理，很多高层建筑用门架式或悬臂式解法，和费时最少的方法计算。然而，其他分析方法和电子计算机出现时，近似方法只用作最初估计和检验计算机的解。

计算机分析。电子计算机的出现引进了结构分析方法：柔度法或力法和刚度法或位移法。这两种方法考虑结构的行为在材料线弹性范围内，并且应用在超静定结构里。

柔度法的本质是结构按静定力系表达的位移叠加。多余力的大小由结构的变形相容条件决定。为了满足变形协调要求，必须同时解n个线形方程。这里的n就是结构系统多余未知力的数目。在受荷结构里，一个方程就由一个变形条件决定。必须计算n+1个荷载条件下的位移，一个方程是为施加的荷载，n个方程是为结构的每个多余荷载的解。

刚度法在分析时认为线位移和角位移是未知量。否则就和柔度法一样了。由于未知量的数目，两种方法都计算只有n个多余未知量的结构或需要解复杂的矩阵式的结构。

两种解法的对比指出每种解法都包含矩阵转化。在柔度法里矩阵是n×n个多余未知量。这种方法比刚度法需要更多的矩阵。在刚度法里，n就是结点可能的线位移和角位移量。选择应用任何更好的方法取决于被转换矩阵的大小。

虽然大多数结构作为线弹性行为，处于极限荷载条件下如地震作用，进行分析，但是需要考虑材料非线性行为和作用在结构上的荷载变化产生的非线性几何变形。

Lesson 20

第二十课 结构设计

结构设计是选择材料和构件类型，大小和形状以安全有用的样式承担荷载。一般说来，结构设计暗指结构物如建筑物和桥或是可移动但有刚性外壳如船体和飞机框架的工厂稳定性。设计的移动时彼此相连的设备（连接件），一般被安排在机械设计领域。

结构设计包含至少5个不同方面的工作：工程要求，材料，结构方案，分析和设计。对于不一般的结构或材料，又包含一个方面：试验。这些方面不是严格按步骤进行，因为不同材料在不同方案大多数是有效的，试验会导致设计变更，最终设计由初步估计设计开始，然后经过分析和再设计几个循环后完成。通常，可替代的设计证明在费用，强度和使用性上十分接近。结构工程师，业主或最后住户基于其它的考虑选择一种。

工程要求。在开始设计前，结构工程师必须决定容易接受的执行标准。必须提供承担的荷载或力。对于一些专门结构，当支持一台已知载重的机器或起重机时，这可能直接给出，对于普通建筑物，采用市政，县，州的建筑规范，提供了设计所需活载（人群荷载和设备，屋顶雪荷载，等等）的最小值。工程师将计算出设计期间的恒载（结构和已知永久性设备）。 对要正常使用的结构，也必须控制其挠度，因为安全的结构可能会存在令人不安的振动。机器的支座有严格的变形限制，因为梁下沉会导致驱动轴弯曲，烧毁，部件错位和上面的吊车熄火。挠度限制在跨度/1000 (梁长的1/1000）以下是很普通的。在传统建筑里，支持板的梁挠度限制在跨度1/360以避免粉刷开裂或跨度1/240以避免人的担忧（保持在可感知的变动范围内）。梁的刚度也影响板“振动”，如果不能控制会令人很头疼。另外，高层建筑的侧面变形，位移或摇摆通常限定在高度/500（建筑物高度的1/500）里，把在有风的日子里上面楼层的人移动的不舒服降到最小。构件尺寸在结构设计里起主要作用。例如，由于下面留作水上交通的净空不够或过高威胁到飞机的特定类型的桥是不可接受的。在建筑设计里，天花板高度和楼板之间高度影响楼板框架的选择。墙厚和柱子尺寸和跨度也影响不同框架方案的适用性。

选择材料。技术的进步创造了许多新材料，如碳纤维加强复合材料和硼纤维加强复合材料，它们都具有极好的强度，刚度和强度重量比特性。然而，由于费用高和非通常的制造要求，它们仅用在有限特殊领域。强化玻璃合成物如玻璃纤维是很普遍，但被限制应用在小荷载情况下。用在结构设计上的主要材料更多是普通的，包括钢材，铝，钢筋混凝土，木材，砌体。 结构方案。在一个实际方案里，结构构件承担很多力，包括拉，压，弯，剪和扭。然而所选择的方案将会影响这些力产生的概率，也会影响材料选择过程。

抗拉是有效的承担荷载的方法，整个构件的横截面性能得到发挥，并且不涉及到弯曲变形。任何抗拉方案必须也对抗拉构件的锚固。例如，在悬索桥里，锚固体通常是位于主要绳索尾段的强大自重。为了避免在荷载移动或变形时有不期望的几何变形，抗拉方案通常要求是刚性梁和桁架。

抗压是另一个很有效的承担荷载方法。全部杆件截面发挥了作用，但是设计时必须避免弯曲，或者是做成粗短构件或者是增加附加支撑。圆顶和拱形建筑，拱桥和柱是很普遍的建筑方案。拱产生了必须抵挡住的水平外推力。这靠设计合适的基础或建在车道或楼板的上面的拱解决，靠沿着车道用抗拉构件把两端的拱连接起来，阻止他们拉开。当荷载不是作用在构件轴线上时，抗压构件显著地被削弱。所以，必须认真考虑移动，变化和不平衡的荷载。

基于受弯的方案的效率比受拉和压低，因为弯曲是靠构件一边受拉另一边受压来抵抗。受弯方案如主梁，次梁，刚架和受弯框架在外部锚固或推力限制，与一般基础不同，靠内部刚度阻挡可移动，变化和不平衡的荷载的情况下有利。

桁架是上面方案的混合体。它们设计成荷载横跨在受弯构件上，但是分解成一系列拉力和压力，由抗拉和抗压构件承担。桁架方案设计时不需要特殊锚固或推力的限制，并且有很好的刚度抵抗移动或变化的荷载。大量的构件之间连结和抗压构件的附加支撑，看起来有点杂乱，这就是桁架的不利处。

板和壳包括圆顶，拱顶，有齿屋顶，双曲抛物面和马鞍形。这样的方案把所有的力直接作用在平板表面并且作用有巨大的剪力。尽管可能效率很高，但是这样的方案对几何有严格的限制，并且在移动，和不平衡垂直作用在表面的荷载的能力很弱。

薄壳结构和硬壳结构利用加劲肋，梁之间的壳板抵抗剪力和轴向力。这样的设计在飞机机体和火箭，船体方面很普遍。它在建筑方面也是有利的。这样的设计仅仅在壳是设计的逻辑部分并且永远不会被替代和移除时才实际些。

对于桥梁，短跨是很普遍受弯的梁。当跨度增加和梁高变得很大时，通常用桁架和斜拉结构。更长跨时也许用拱，要考虑基础条件和净空要求。最长的跨靠悬索方案处理，因为这可把关键性的自重降到最小并且能索连索地建造起来。

对于桥，短跨靠板承担弯矩。当跨度增加时，主梁和次梁被用来承担弯曲。更长的跨要求用桁架，尤其是在工业建筑有吊车荷载时，圆顶，拱和悬索和充气屋顶被用在传统的大厅和竞技场里以获得净面积。

结构分析。结构分析要求确定稳定性（静力平衡），构件承担的力和变形。它需要构件形状，大概尺寸，已知或假设的材料特性。分析包括：平衡，应力，应变和弹性模量，线形，塑性和弯曲和板截面。很多方法可以完成分析过程。

最终设计。一旦结构分析完成（如果分析是正确的，只用几何方法；反之附加构件尺寸和材料假设）。最终设计可以进行，必须对照业主或政府建筑规范标准来检查变形和允许应力或极限强度。必须计算工作荷载下的安全性。一般方法是可行的，依据所使用的材料类型做出选择。

纯抗拉构件检查横截面应力。特别注意螺栓孔或焊接处的应力。拉弯构件中，用应力之和与分析应力作比。受压构件中的允许应力取决于构件强度，弹性模量，长细比和支点间距离。粗短构件由材料强度决定，然而长细构件由弹性弯曲决定。

梁的设计由对于最大弯曲应力和允许应力来检验，通常由材料强度控制，但是如果受压一边没有侧向支撑就会被限制。

梁，柱或有弯矩的受压构件的设计必须考虑两项。首先，当构件由于承受弯矩而弯曲时，轴力会增加弯曲量，实际上，轴压放大了原始弯矩。其次，对于柱和梁的允许应力是不同的。为了反映这，用到了下面相互作用方程，如果：

就认为构件是令人满意的。

承受垂直于长轴的荷载的构件。如梁和梁——柱，也必须承担剪力。剪应力和荷载的方向相反并且在其右边，把梁的不同部分连接起来。它们与允许剪应力作对比。这些步骤也能用来设计由受拉和受压构件组成的桁架。最后，用工程标准检验变形，使用最后的构件。

一旦被分析和在工程标准内的设计方案是令人满意的，必须提出制造和建立信息。通过作图，指明所以基本尺寸，材料和构件大小。设计中预期荷载和节点承担的预期力。

Lesson 21

第二十一课 计算机辅助绘图和设计

CADD是计算机辅助绘图和设计的简称。当初CAD三个字母指的是计算机辅助绘图，但是它们实际意味着计算机辅助绘图，计算机辅助设计，或两者。CADD更好的描述了目前的技术，因为很多软件包都包含三维制图和三维设计。另外，很多CADD系统提供了分析功能，计划产品和报告，所以都是设计过程。

CADD显著的改变了设计者产生和记录他们想法的方法。尽管图像交流的原理没变。创造操作和记录设计者构思的方法已经随着计算机改变了。在设计绘图技术，构思，工程，绘制构件，尺寸等等都是一样的。然而，绘图板，三角尺，比例尺和其它传统绘图工具不再需要去传达一个设计想法。设计者/绘图员使用计算机系统和合适的软件能：

设计零件，结构或所需要的任何产品；

不必重新绘画一个设计图去修改设计，从计算机图库中调用图块或图纸；

自动复制经常使用的样式；

生产进度表和分析；几分钟内完成图样和绘图元素的硬拷贝。

仅仅几年前，CADD程序是粗糙的，界面不友好并且很难使用。早期大部分软件需要一个主机或微机去处理计算。即使那样，它们还是极其慢。这样一个系统的费用如此的高以至于只有大公司或学校能够买得起。

现在，这全部改变了。一些非常大和复杂的应用软件仍然主机，超级微机或微机。另外，这些系统变得容易使用，更快，甚至功能更强。然而，基于CADD的系统仍需稳定的提高。现在，它们满足大部分使用者的需要。这些更新系统包装得更有特征。它们的费用只是主机系统的一小部分，使得每个教室和小公司都能负担得起。

一个能担负得起价格的流行CADD系统提供高性能效率。所增加的性能提高了生产率，并且帮助绘制更多精确的图画，所有建筑，工程，结构图都可用CADD系统绘制。

一旦设计完成并且存储在计算机里，它就可以在需要复制或修改时调出来。修改的CADD图是在上次存储的地方。通常的，使用系统绘图方法需要几个小时完成的修改，能够用CADD系统花几分钟完成。另外，一些CADD软件在你修改完原始设计后，自动生成新的进度表。 CADD另外一个好处是块库。插入标准块和图很快，简单并且精确。一旦一个标准块画出来并且存到库里，它就能在需要时多次在多幅图中调用和插入。例如，树，家具，门窗和普通应用软件的块通常包含在建筑块库里。在插入时，图块能被缩放，旋转或镜像以满足专门需要。另外，设计唯一的块并且添加到应用库里。

一个CADD系统一般由下面硬件组成：计算机或处理器，显示器，图形适配器，输入和指针设备和硬拷贝设备。每个构件作为系统唯一的用途。

CADD系统的核心是计算机。它作为活动中心，因为所有信息都流过它。外围设备（绘图仪，设计资料数字化仪，显示器等）连接到计算机上。大多数CADD系统要用计算机能很快处理大量信息。当选择一个CADD系统计算机时，处理速度是一个重要考虑因素。同样的计算机也许用作非CADD应用软件，如字处理和会计，或专门致力于绘图和设计功能。

计算机系统的引擎或核心是cpu（中央处理器）。作为微机里的微处理器的cpu是一个执行软件程序和保持不同系统都作同步和操作和谐的芯片。同前，在微机中有三种基本cpu，它们根据在一段时间内能处理数据大小的等级：8，16和32位。一般来说，功率越大的cpu计算机速度越快。

Cpu存储数据和程序用另一种硬件，叫做随机存储器（RAM）。存储器作为短期存储，不能与磁盘存储混淆。当选择CADD程序时，存储的量很重要。一些程序需要的存储量比你的计算能处理得多。对大部分CADD软件，微机最少有640K的RAM。一旦计算机关闭，所有存储在RAM上的信息就会丢失。这就是为什么你存储数据在永久存储设备如磁盘和硬盘的原因。

数字协处器是数字粉碎机，处理cpu部分工作量。有了CADD协处理器加速了屏幕图形的产

生，操作了很多CADD软件程序。如果没有数字协处理器显示命令的执行，如全位显示和缩放非常慢，数字协处理器的出现是导致微机上CADD突然流行起来的主要原因。

连接到计算机上的是输入输出设备，如绘图仪，设计资料数字化仪和显示器。这些连接到计算机后面的端口上。

显示器允许人机交流互动。在大小，价格，质量和应用很大范围内的显示器是可行的。重点考虑：与使用电脑的兼容性，彩色或单色，显示器的物理尺寸和分辨率特征。

在计算机里，图形显示器需要一个专门电路板叫做图形适配器或控制器。适配器需要与分辨率和显示器所需要的颜色特殊相兼容。这促使显示出最好的颜色和分辨率能力。典型图形是适配器包括：EGA增强图形适配器），CGA（彩色图形适配器），MDA（单色显示适配器）和VGA（视频图形阵列）。

所有CADD需要一个或更多的输入设备。典型的输入设备包括：键盘，鼠标，涉及资料数字化仪或尖笔，轻笔，游戏控制杆，拇指轮和滚球。

创建在CADD系统里的信息归纳为硬拷贝和软拷贝。软拷贝包括用户提示，说明书和一个可视的操作记录。这些信息输出到显示器上。硬拷贝输出包括绘图，零件清单，材料帐单和规范。这些打印在纸，牛皮纸上或绘图仪或打印机的胶卷上。

硬拷贝取决于你打算使用的输出设备。最普遍用在硬拷贝输出的设备包括：绘图笔，激光打印，热处理绘图仪，电子绘图仪，彩色打印机，一流滚轮打印机和记录胶卷。当评估这些设备时，考虑它们的精确性，线性和文字质量，速度，绘图大小和彩色可能性。

Lesson 22

第二十二课 土木工程中出现的管理者角色

摘要：这篇文章是louisberger博士在接受parcel—sverdrup土木工程管理奖时作的。这个奖是19xx年10月两4日在san piego举行的午宴上颁发给berger博士的。在这篇文章里，berger博士陈述了对具有管理技巧和土木工程管理的可能的高等学位的土木工程师的增大需求的理由。论点的根据是由大型土木工程公司和大型公共企业承担的大型工程的特征需要工程管理人员，他们既有技术又有相当多的管理技能。大型企业的项目经理经常要求去制作客户陈述资料，写建议，谈判合同和变更，租用员工和选择咨询公司。这要求作为工程管理人员的土木工程师有出色的交流技巧。财政管理人力资源和合同法以及其他技能训练有素。Berger博士的组织没法把工程管理人员从全部职业人员的14%上升到20%。最后，他认为选择管理职业道路的土木工程师的薪水比那些停留在技术领域的高。

在过去的20年里，很多土木工程公司在人员数量，纪律和服务的地理区域有显著的提高。这些条件导致了对有工程管理专门技巧的工程师的需求。

这篇文章摘取了需要的技能类型，市场大小和进入管理等级的土木工程的潜力。

历史上，一个对提高职业感兴趣的雄心勃勃的土木工程师，会读一个结构，岩土或环境的硕士学位。当很多人仍停留在传统方式时，一个新的非常令人兴奋的领域出现了。这就是工程管理。

正常的，当一个土木工程公司成立时，一个明智的企业工程师会依靠试验和失误经营他的公司。如果工程师学得很快，他会提升，否则公司不能存活。

管理技能变得很重要，因为很多土木工程公司在最近几年成长的很快。一些公司有超过5000个员工和超过500个工程和超过100个办公室。每个大工程需要一个经理。每个独立的办公室需要一个高级经理。一个逻辑问题是：这些需要有商业技能，从一个训练成技术专家发展的经理怎么样？明显的，大部分工程师有多年工作培训经验。然而，有很大的增长需要并且极少的公司有设备或人员能在家训练。因此，公司期望员工在外面进行管理培训。

我们的一些大学已经认识到需求并增加了课程以提高所需要技能。例如，在西北大学，新的

土木工程研究生课程里最热的一个是工程管理硕士（MPM）；它包括以下课程：

工程财政问题；

评价和谈判；

人力资源管理；

工程进度；

工程财会问题；

工程法律。

这些课程的选择是基于土木工程管理的实际需求的评估。这一点从美国土木工程师协会的杂志刊登广告征求有关管理的不同领域，如项目，进度，工序，人事，财务，营销和法律问题的论文的事实得到了证实，因为这些现在都被认为是土木工程管理的重要方面。

如果检查了大公司的全部需要，他们雇用人员在法律，账号，营销，财务，人员和商业管理方面都被记录。当工程主要位于美国时，需要提供临时运送员到从家到办公室的支持。当工程项目所在地很远，尤其在国外，以及委托人要求在当地完成设计时，必须派驻一位不仅工程技术好，判断力强，而且还具有其他合同管理技能。电子邮件和传真机使从国内办公室获得指导变得更加容易，然而很多决定必须在现场突出。客户经常要求当地经理拥有委托人的权利，确保所有现场签订的合同在法律上有效。如果产生了小问题，海外出差到遥远地区如亚洲，非洲和拉美的费用是的派国内专家出去变得不现实。一个法律，账号，人员，进度，或谈判问题产生了。结果，必须依靠当地经理解决很多问题，并且当主要问题产生时，需要帮助。

据我们的经验，主要公司的专业进步导致提高技术和管理训练，那些跟着管理轨迹的以更高认识和补偿结束，因为好的管理在准时完成工程，预算和使顾客满意方面很重要。除了那，好的技术工程师比土木工程师多并且弥补遵守供求关系。

一些工程师咨询一个典型公司所需的土木工程管理人员的数量。回答这个问题的唯一方法是通过一个实际的调查。Berger组织有大约两500职业人员，包括顾问并且超过80个国家工作。它目前世界范围的工作包括超过两60个公路和桥的设计和结构工程，并且有超400个环境的，文物资源，港口，机场，铁路，运输线，水和建筑工程。这个混合似乎是土木工程公司的典型。

对我们的需求指出，除了我们高级副经理，我们需要一个工程干部能够单独管理国内或海外办公。我们估计至少要两%的人员，或50名工程师，必备技巧。我们下一个要求是有能力管理大工程或办公室的工程师。我估计至少4%或100名工程师，需要去满足。更小的工程也需要好的管理，当风险更小并且提供国内办公的机会更大时，我们仍需要至少6%或250名工程管理人员满足人员要求。

最后，我们需要大量聪明并且善于管理5或10名技术工小组的年轻工程师，但是有随着需要增加而向上爬的潜力。我们估计这些人至少占总人数的8%或200名工程师。

明显的，这个导致2-4-6-8公式的分析是基于我们地理和技术差异，其他公司可能很大不同于此分析。然而，仍然是一个结论，建立一个成功的大型多样化土木工程公司，本质上大量的训练有素的经理室需要的。结果，一些分类建立起来了，第一类是那些有管50或更多工程的人。第二类包括能有利的管理达到25人的更小公司的经理。第三类，由能够管理更小工程的工程师组成，法律的，市场的，和财政的援助能由国内办公提供。最后，第四类包括年轻工程师，它们开始从事管理领域，在那里，他们通过管理人员提供技能。

为了说明第二类项目经理所需的其他技术，以某公司已提交了其他资质合格证明，列出了候选人名单，应邀提交设计一条高速公路的技术和财务建议为例。如果在美国，在选择委员会之前，这个建议也需要一个详尽的介绍，包括口头介绍视频介绍等。很多选择的委员会现在坚持认为介绍只能由项目经理来做，并且其他参与介绍的是在实际工程工作的高级技术人员。

这个要求主要是打算确保委员会合理估计经理的个性，沟通技巧和技术竞争力，清除油腔滑调的营销专家。遗憾的，这也清除了一些不能口头陈述很好的优秀项目经理。结果，所有项目经理的要求既要写作好，又要求沟通好，因为通常需要书面建议。

例如，项目经理必需能够决定所需的公路和桥的图纸量。并且决定他所需的每个技能和经验工种的人员数。客户频繁的争论工作人员提太过分了，质量保险/质量控制太大了，等等。项目经理必须有必需的技能和背景去证明，提议人员是基本的并且技能是合适的，客户不是敌对关系。

当工程在海外施工，通常必须选一个当地公司去处理次要的专业任务，如调查，钻孔和一些设计。项目经理必须检查当地公司的信誉，建立雇佣者的竞争机制，商谈公正的费用和付费计划并且在技能必须提高的方面帮助训练。很多国家目前税费，合同附件必须包含对税费，责任保险等等有足够的条款。在当地公司坚持只能作为合资伙伴参与的时候。项目经理面临的问题就增加了。因为当地公司通常不能提高保证金，责任保险，甚至一套有意义的可证实其实际工资成本和日常开支的账目。为解决这些涉及处理当地联系的问题明显需要项目经理有财务和法律技能。

总之，这篇文章就是打算表明为什么一个现代的对职业感兴趣的土木工程师需要在管理，法律，会计学和正常土木工程训练等方面有少理解的技能。大公司和大型工业的发展加速了对这样经理的需求。幸运的，有管理技能的土木工程师的薪水比那些只有工程技能的人。希望这个经济动机将吸引一些最好的和最优秀的土木工程师进入管理领域