任秋榮，葉 龍，李向召

REN Qiu-rong, YE Long, LI Xiang-zhao

（安陽師范學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安陽 455000）

0 引言

縱觀人類文明史，土木工程建設(shè)在和自然斗爭中不斷地前進(jìn)和發(fā)展。在我國的現(xiàn)代化建設(shè)中，土木工程業(yè)越來越成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前土木工程的實(shí)踐和研究已取得顯著成就，無論是結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，還是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論和方法以及結(jié)構(gòu)的施工手段，都有了非常大的突破;特別是近若干年，在高層、大跨結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)方面成績尤其驚人。[1]

1 土木工程建設(shè)取得的巨大成就

自改革開放以來我國高層建筑的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段，高層建筑不僅在數(shù)量上越來越多，而且在高度上也越來越高。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)我國已建成20層以上高層建筑物10 000多棟，超過100 m的高樓有500多棟， 200 m以上的高層建筑50多棟，有20多棟超過300 m。目前我國最高的高層建筑為上海浦東金茂大廈，地上88層，高度420.5 m，地下3層，其高度在世界已有建筑物中排第3位，為鋼筋混凝土和鋼構(gòu)架混合結(jié)構(gòu)。即將動(dòng)工興建的上海金融中心大廈地面94層、地下3層，高466 m，建成后，其高度將超過目前世界最高的吉隆坡佩重納斯大廈而成為世界第一高度。[2]表1為在世界上排名前四位的鋼結(jié)構(gòu)高層建筑。

表1 世界高度前四位高層建筑

公路、鐵路飛速發(fā)展，“十五”期間,我國將有公路160萬km,其中高速公路2.5萬km，2010年，全國高速公路將達(dá)3萬km。到2005年，全國鐵路營業(yè)里程約達(dá)7.5萬km，首條跨海的粵海鐵路通道，全長542.6 km；國務(wù)院批準(zhǔn)建設(shè)的青藏鐵路,東起青海格爾木，西至西藏拉薩全長1118 km，其中多年凍土地段約600 km，海拔高于4 000 m的地段960多km，將成為世界上海拔最高和最長的高原鐵路，是西部大開發(fā)的又一項(xiàng)標(biāo)志性工程。圖1展示了在交通設(shè)施建設(shè)方面我國十二五期間取得的優(yōu)異成績。

橋梁工程也取得了驚人的成就，伴隨著橋梁類型的不斷翻新，主跨跨度一再突破；而斜拉撟的復(fù)興更是橋梁工程的另一個(gè)輝煌。日本的時(shí)石海峽大橋（1 991 m懸索橋）、多多羅大橋（890 m斜拉橋），丹麥的海帶橋（1 624 m懸索橋），法國諾曼底橋（856 m斜拉橋）被公認(rèn)為是20世紀(jì)橋梁的代表作而載入史冊。而楊浦大橋、南浦大橋、蕪湖長江大橋、南京長江二橋等大跨橋梁的建成都標(biāo)志著我國的大跨結(jié)構(gòu)達(dá)到了一個(gè)新的水平，已跨入世界先進(jìn)行列。目前，我國已建成千米以上大橋3座（尚有2座正在興建中）、800 m以上大橋8座、600m以上大橋15座、400m以上大橋40座，重慶萬縣單孔跨度達(dá)420 m的鋼筋混凝土拱橋更引起世界同行的莫大興趣。[3]

2 土木工程的發(fā)展趨勢

地球上可以居住、生活和耕種的土地和資源是有限的，而人口增長的速度是不斷加快的。據(jù)聯(lián)合國有關(guān)機(jī)構(gòu)的報(bào)告預(yù)測,到20005年世界人口將超過85億。另據(jù)澳大利亞的科學(xué)家分析，2080年世界人口將達(dá)到頂峰（106億），而后有所降低。人類為了生存，決定了土木工程未來的五個(gè)發(fā)展方向。

圖1 我國十二五期間交通建設(shè)的成績

2.1 修建超大型工程

在21世紀(jì)，隨著新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝、新施工方法的出現(xiàn)，人類將有可能從事更大規(guī)模的土木工程建設(shè)，從事土木工程的人們將為改造世界做出新的貢獻(xiàn)，取得新的突破。

西班牙與摩洛哥之間的直布羅陀海峽割斷了歐洲和非洲大陸的交通，至今人們已經(jīng)提出了多種聯(lián)絡(luò)線方案。如全長30km，最大主跨為2000m的吊橋方案;全線長14km，最大主跨為5000m的吊橋方案;也有的提出采用最大主跨為5000m的海中浮游式橋梁方案等。對馬海峽的地下隧道工程、白令海峽的填筑等也是世界上醞釀中的超大型工程。

現(xiàn)在人工建筑物最高的為646米的波蘭Cabin長波臺(tái)鋼塔，由15根鋼絲繩錨拉。日本擬在美國芝加哥或紐約建造700層（高約1950米）的赤板城樓，內(nèi)設(shè)商店、辦公用房、劇院及至球場，工作人員30萬，住戶l4萬。另外，日本還提出建造一座超整體結(jié)構(gòu)，高4000米（高過富士山，海撥3776米），實(shí)為“空中城市”。

2.2 高性能材料的使用

近年來，隨著高標(biāo)號水泥的大量生產(chǎn)，鋼纖維和玻璃纖維混凝土、聚合物浸漬混凝土等快硬、高強(qiáng)、輕質(zhì)、復(fù)合和節(jié)能混凝土的研制，復(fù)合、新型墻體材料的開發(fā)，鋼化玻璃、多功能涂層玻璃、雙層中空玻璃等建筑用平板玻璃等的發(fā)展，都帶來了土木工程的結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)等方面的新發(fā)展。而從20世紀(jì)80年代興起的碳纖維的應(yīng)用研究，更是土木工程在這一領(lǐng)域的又一重大突破。

鋼材將朝著高強(qiáng)、具有良好的塑性、韌性和可焊性方向發(fā)展。日本、美國、俄羅斯等國家已經(jīng)把屈服點(diǎn)為700N/mm2以上的鋼材列入了規(guī)范；如何合理利用高強(qiáng)度鋼也是一個(gè)重要的研究課題。高性能混凝土及其他復(fù)合材料也將向著輕質(zhì)、高強(qiáng)、良好的韌性和工作性方面發(fā)展。[4]

表2為我國高層建筑鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出：

1）工程設(shè)計(jì)幾乎全部由國外承擔(dān)，鋼材幾乎全從國外進(jìn)口，工程總承包也大多由國外承擔(dān)，而鋼結(jié)構(gòu)制作與安裝則主要由國內(nèi)單位承擔(dān)。

2）截止到1996年底我國已建成的高度為100m以上的高層建筑約150幢，其中采用鋼結(jié)構(gòu)（包括鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)）的僅8幢，顯然數(shù)量還很少。

因此，無論從高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的數(shù)量還是高性能材料的使用量都需要進(jìn)一步增加。

表2 我國高層建筑鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)

2.3 充分利用地下空間

目前世界上最大的地下街是日本東京八重洲地下街，建筑面積70千米深的地下街是莫斯科切爾坦沃住宅小區(qū)地下商業(yè)街，深度在100米左右，我國也已有約20個(gè)城市進(jìn)行了地鐵系統(tǒng)的規(guī)劃和具體實(shí)施階段，先后提出了25項(xiàng)地鐵和輕軌項(xiàng)目，同時(shí)地下空間技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展和提高。[5]

目前我國城市地下工程建設(shè)主要施工方法有明挖法、暗挖法、蓋挖法、盾構(gòu)法、沉管法、凍結(jié)法及注漿法等，這些技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，這也為地下空間開發(fā)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。隨著人口的增長，空間資源越來越緊張，開發(fā)地下空間是解決當(dāng)前空間和土地資源緊張的一個(gè)有效途徑。[6,7]

二十一世紀(jì)城市地下空間發(fā)展有以下幾個(gè)趨勢：1）綜合化。國外地下空間發(fā)展的主要趨勢是綜合化，首先是地下綜合體的出現(xiàn)，成為具有大城市現(xiàn)代化象征的建筑類型之一。其次綜合化表現(xiàn)在地下步行道系統(tǒng)和地下快速軌道系統(tǒng)、地下高速道路系統(tǒng)的結(jié)合，以及地下綜合體和地下交通換乘樞紐的結(jié)合。第三綜合化表現(xiàn)在地上、地下空間功能既區(qū)分，又協(xié)調(diào)發(fā)展。2）分層化與深層化。為了綜合利用地下空間資源，地下空間開發(fā)逐步向深層發(fā)展。如加拿大修建的地下車庫多達(dá)14層，總面積72324平方米。3）城市交通和城市間交通的地下化。4）各種聯(lián)合掘進(jìn)機(jī)和盾構(gòu)將成為地下隧道快速開挖的主要趨勢。5）在鉆爆法掘進(jìn)中采用數(shù)字化掘進(jìn)的趨勢將加強(qiáng)。6）地鐵隧道截面將減小，成本將降低。7）微型隧道工程將加速發(fā)展。微型隧道是人進(jìn)不去的隧道，直徑一般在25一30厘米，最大2米。由于其采用遙控開挖，適于在高層建筑，名勝古跡，高速公路等下面安裝管道。目前世界上已采用此技術(shù)修建了5000公里長的微型隧道。8）市政公用隧道在二十一世紀(jì)將得到更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。9）GPS（衛(wèi)星全球定位）、RS（遙感）、G飛（地理信息系統(tǒng)）在地下空間開發(fā)中的應(yīng)用將加強(qiáng)。

2.4 向太空、沙漠、海洋發(fā)展

早在1984年，美籍華裔林銅柱博士就提出了一大膽設(shè)想，即在月球上利用它上面的巖石生產(chǎn)水泥并預(yù)制混凝土構(gòu)件來組裝太空試驗(yàn)站，這也表明土木工程的活動(dòng)場所在不久的將來可能超出地球的范圍。[4]

全世界約有1/3的陸地為沙漠，每年約有600萬公頃耕地被侵蝕。中科院的調(diào)查表明，我國土地的沙漠化中由自然變化引起的僅占5.5% ，而人為沙漠化則占94.5% ，每年人為沙漠化的土地為l3.8萬平方米。世界未來學(xué)會(huì)對下世紀(jì)初世界十大工程的設(shè)想之一是將西亞和非洲的沙漠改造成綠洲。沙漠改造首先必須有水，然后才能綠化和改造砂土。在有地下水，甚至有深層地下水的沙漠中，利用地下水修建大型輸水管道或人工河以及蓄水池以改造沙漠，未嘗不是可行的。在缺水地區(qū)，國際上還在研究開發(fā)使用沙漠地區(qū)太陽淡化海水的經(jīng)濟(jì)上是可行的方案。該方案一旦付諸實(shí)旄，將會(huì)導(dǎo)致毗鄰海洋地區(qū)的沙漠大規(guī)模改造工程，這些工程的實(shí)現(xiàn)將會(huì)造就一批最具吸引力的經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。

目前，許多國家將建筑空間向海洋拓寬，阿拉伯聯(lián)合酋長國首都迪拜的七星大酒店建在海上，洪都拉斯將建海上城市型游船，該船將長804.5m，寬228.6m，有28層樓高，船上設(shè)有小型噴氣式飛機(jī)的跑道、醫(yī)院、旅館、超市、飯店、理發(fā)店和娛樂場等。近些年來，我國在這方面也已取得可喜的成績，如上海南匯灘圍墾成功和崇明東灘圍墾成功，最近又在建設(shè)黃浦江外灘的拓岸工程。[8]

2.5 加快信息技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用

加快信息化建設(shè)，用信息化帶動(dòng)工業(yè)化，這是我們的國家提出的新時(shí)代的奮斗目標(biāo)。信息化建設(shè)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能信息處理技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)等現(xiàn)代化手段對土木工程的施工過程和手段進(jìn)行改造，改造的目的是有效提高土木工程施工過程效率，降低施工成本通過信息化建設(shè)，使信息化覆蓋規(guī)劃、勘測、設(shè)計(jì)施工、企業(yè)和物業(yè)管理、物流監(jiān)控、設(shè)備維護(hù)、工程維護(hù)和保養(yǎng)等土木工程的全過程。在土木工程中的信息化技術(shù)的應(yīng)用，使的傳統(tǒng)控制方式下一些較難實(shí)現(xiàn)的高難度項(xiàng)目成為可能，比如高層建筑垂直度的控制，大體積大質(zhì)量的混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制，對于大型構(gòu)件和設(shè)備的整體同步吊裝，整體大型腳手架的提升和安裝控制，整體模具的爬升，大型橋梁懸索受力的控制，幕墻的生產(chǎn)和加工控制，高溫高壓的焊接質(zhì)量控制，建筑物的爆破，整體搬遷，以及沉降觀測和數(shù)據(jù)采集，大型工業(yè)設(shè)施的三維空間管線布局的計(jì)算機(jī)模擬等等。[9]

3 結(jié)論

本文總結(jié)了當(dāng)今建筑發(fā)展的現(xiàn)狀，并闡述了一些新工藝、新技術(shù)、新型材料的應(yīng)用，同時(shí)指出了未來建筑空間的必然趨勢，目前我國在這方面已取得了一些成績，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但我國土木工程的設(shè)計(jì)、施工和理論研究方面的總體水平與發(fā)達(dá)國家相比還有一定的差距。展望未來，不僅要加強(qiáng)新型結(jié)構(gòu)型式、新型建筑材料、新的技術(shù)手段的理論探索和應(yīng)用研究，更要加強(qiáng)土木工程二級學(xué)科間理論和技術(shù)的融合與滲透，實(shí)現(xiàn)土木工程的更大突破。

[1]方從嚴(yán), 梁有峰, 吳慶.土木工程的現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢綜述[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 13(2).

[2]李國強(qiáng).我國高層鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要問題[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 1998, 19(1)∶ 24-32.

[3]項(xiàng)海帆.21世紀(jì)世界橋梁工程的展望[J].土木工程學(xué)報(bào),2000, 33(3)∶ 1-6.

[4]祝彩霞, 劉慧.淺析土木工程的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].工程建設(shè)與管理.

[5]劉瑜.土木工程現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢研究 [J].工程科技.

[6]呂志濤.新世紀(jì)的土木工程與可持續(xù)發(fā)展[J].江蘇建筑,2000, (4).

[7]李磊.二十一世紀(jì)土木工程發(fā)展探索[J].當(dāng)代建設(shè),2002, (2).

[8]余文暉.土木工程的發(fā)展現(xiàn)狀 [J].技術(shù)與產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì).

[9]王海燕, 岳祖潤.土木工程信息網(wǎng)站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].國防交通工程與技術(shù), 2003, (2).