二十一世纪的土木工程

关键词：高新技术，绿色建材，绿色建筑，可持续发展，智能化

The Civil Engineering For Twenty-first Century
Abstract: This text elaborated civil engineering's development trend and foreground in 21 centuries, passing a solid example to display the function civil engineering had in the world development.In the text, the point introduced a high and new technique, particularly the application of computer, also have the technique direction of civil engineering, to civil engineering talented person's request ……in the meantime still introduced to carry out civil engineering can keep on the method of development, and the civil engineering academics, opportunity and challenge may meet in the future of crisis.On this foundation, very clear analysis civil engineering of development situation, aggressive outlook future.And pass contrast, put forward a higher request to the development of Chinese civil engineering, that is to want to carry up the western countries, carrying out the wishes of making motherland strong.

Keywords: High-Technology, Green Building Materials, The Green Building, Sustainable Development, intelligentizationl

1.引言

如今的中国正处在一个发展的阶段，也正有着一个很好的发展态势。在这种情况下，土木工程作为一个关键的学科，更是有着其积极的作用。特别是现在的中国，“西部大开发”，“西气东输”，“南水北调”，各式各样的高楼大厦，高速公路……哪一个是能离开土木工程的。也正是土木工程有着他特殊的地位，才对学习土木的学子提出了更高的要求。

现在的土木已经远远和古代的不同了，我们所需要的也不是那一点点的土和木，更多是要有各种新型的材料。很容易就可以看出这些材料的发展简直是不可思议，现在的砖啊，石啊，已经很普通了，钢筋混凝土，纳米，复合材料，隔声材料更是有着其不可替代的作用。然而这个世界也不是取之不尽，用之不竭的，能源枯竭始终是各个国家难以忽略的一个问题，因此在这个二十一世纪，绿色建材将成为人们关注的焦点。鉴于这个原因，土木的人才就不能局限于一个古老的建筑模式，而是要前看，创造新时代的土木工程。而且现在的世界是一个信息化的时代，土木的发展也是不能离开“信息化”这三个字。更是要向一个智能化的方向发展。这就离不开高新技术的应用了。从这种种就能看出二十一世纪的土木将面临许许多多的挑战，也会遇到各种各样的机遇和危机。

本文将针对上面所说的问题做一个详细的说明与介绍。并且重点介绍土木工程在二十一世纪的发展前景。

2.高新技术在土木中的应用

世界的的发展速度确实是令人为之惊叹。于是那仅仅靠人的双手去一点一点的做已经是不符合实际。于是出现了高新技术的运用，尤其是计算机的应用，更是高新技术中的一个在重点。例如最典型的就是用计算机进行制图。可以这样说吧，现在最流行的作图软件就是AutoCAD，这个制图软件可以让制图者用最快捷的方式完成制图。当然CAD只是这些重要软件中的一个，还有像美国的Primavera的公司合同管理软件Expedition，项目风险分析软件Monte Carlo等。这些软件使得土木设计，施工更加的快捷，有效的提高了工作效率。

还有一些公司为了应对自己公司的特别工作还专门有公司内部自主设计的软件，如概预算软件，土方量计算软件，边坡弹塑性分析软件……就是这些软件使得这些公司发展迅速。当然之后就出现很多应用性的软件，如根据3维CAD创出的CAE，它就能支持施工方案的生成，施工过程仿真以及施工进度计划等。这些计算机的应用使得土木施工不仅有速度，还有质量，大大减少了失误。

当然这也只是二十一世纪的初期，这些运用对于一个不停发展的世界来说还是远远不够的。因此，各国的科学家还在进一步的研究，还有好多的高薪技术在开发，比如说CIC（计算机集成施工）和CALSC（连续获取以及生命周期支持）就是其中最热门的两个话题。认识和分析这两个话题对于更好的发展施工将积极的作用。可是这些也仅仅是在某一方面的运用，要想让计算机发挥它应该有的作用，就不能局限在这个地方。我们要让土木跟着世界的发展走向一个智能化的时代：

（1）信息化施工。在施工过程中所涉及的各部分各阶段广泛应用计算机信息技术，对工期、人力、材料、机械、资金、进度等信息进行收集、存储、处理和交流，并加以科学地综合利用，为施工管理及时准确的提供决策依据。例如，在隧道及地下工程中将岩土样品性质的信息、掘进面的位移信息收集集中，快速处理及时调整并指挥下一步掘进和支护，可以大大提高工作效率并可避免不安全的事故。

（2）智能化建筑。智能化建筑应该满足两个方面的要求:一是房屋设备应用先进的计算机系统监测和控制,并可以通过自动优化或人工干预来保证设备运行的安全,可靠,高效。例如有客人来访,可远距离看到形象并对话,遇有歹徒可滠像,可报警,可自动关闭防护门等.二是安装对居住者的自动服务系统。如早晨准时叫醒主人,并可根据需要放送新闻或提醒主人当天的主要日程安排,同时自动加工早餐。

（3）智能化交通。智能化交通一般包括以下几个系统:先进的交通管理系统,交通信息服务系统,车辆控制系统,车辆调度系统,公共交通系统等。它应具有信息收集,快速处理,优化决策,大型可视化系统等功能。

（4）土木工程分析的仿真系统。计算机仿真技术可以在计算机上模拟原型大小的工程结构在灾害(台风,地震,火灾,洪水等)荷载作用下从变形到倒塌的全过程,从而揭示结构不安全的部位和因素。用此技术知道设计可以大大提高工程结构的可靠性。

再举个例子:世界上的第一条地铁是伦敦地铁，它建于1863年。今天，伦敦仍然是世界上地铁最发达的城市之一，12条地铁线在城市的地下纵横交错，构筑了密集的城市轨道交通网。在这个拥有700万人口的城市里，地铁的每日客流量高达200万人次。这么大的客流量不是几个保安和工作人员就可以控制的,没有一个高科技的参与,是不可能如此有序的.再一个,这些城市的繁荣也足以看出土木对于这个世界所起的作用了.

而且现在世界上很多国家都在对太空进行研究,我们人类或许真有可能居住到太空中.可想而知那些荒芜人烟的地方正是需要我们这样的土木工作者去创造一个新天地啊. 其实太空相对地球来说，是个完全不同的环境，我们首先得了解太空的环境特点，才能构建出适合太空居住的建筑。太空与地球有着多方的差异，一是辐射，在太空中，不仅有宇宙大爆炸时留下的辐射，各种天体也向外辐射电磁波，许多天体还向外辐射高能粒子，形成琮宙射线。例如，银河系有银河宇宙线辐射，太阳有太阳电磁辐射、太阳宇宙线辐射(太阳耀班爆发时向外发射的高能粒子)和太阳风(由太阳日冕吹出的高能等离子体流0等。二是温度，科学家对宇宙微波背景辐射(宇宙大爆炸时遗留在太空的辐射)的研究证明，太空的平均温度为-270.3℃。三是撞击，看看月球满脸的雀斑，就知道陨石撞击绝飞危言耸听。此外还有高速运动的尘埃、微流星体和流星体。它们具有极大的动能，1毫克的微流星体可以穿透3毫米厚的铝板。还有一点是人类自作自受，“太空垃圾”是随着人类航天事业的发展而“发展”啊。四是失重，如在月球上，重力就远远小于地球，这对太空作业肯定会带来不小的难度。此外，太空环境还有一些特点，不一而足。目前太空环境仍在人类的进一步监测当中，欧洲空间局将于2015年完成太空环境监测计划，届时我们将能对太空建筑进行更加细致，全面的研究。但是这些还只是理论,去太空,解决食物问题,搞太空建筑,解决失重……这些都是离不开土木工程对高新技术的使用的.

从上面这些例子很容易就能看出运用高新技术将会成为二十一世纪土木工程发展的主流,并会带来一个新的飞跃。

3.可持续发展

不论是中国还是整个世界资源都是有限的,没有取之不尽,用之不竭的资源等着你去取,如果我们不知道珍惜,可怜我们的后代只能傻傻的饿死,冻死,绝望而死……更何况现在的世界人口飞速增长,环境也被破坏,生态失衡,人类的生存已经受到了威胁,难道我们土木工程的发展能脱离世界吗?当然不能。可是土木也不能停止发展,世界也不能停止向前。因此土木工程也要顺应世界的号召,实施可持续发展.虽然可持续发展早在二十世纪八十年代就提出来了,可是我想鉴于它的意义非同一般,在二十一世纪仍然还会是人们关注的焦点,甚至是要一直延续下去的.就说我们中国就把"可持续发展"作为了基本国策,并且大力宣传,可见它的重要.当然土木工程工作者就有责任贯彻这一原则。

三峡工程和青藏铁路是国家重点工程，在这些工程中都将生态节能建设当作重点工作来抓。如长江三峡工程大坝的修建会影响长江鲟鱼的回游产卵，而这一鱼种又极为稀少，且只有中国的长江有，对此建坝专门考虑了“鱼道”，来满足生态平衡的要求。充满希望的绿色建筑正走进人们的生活，和人们密切起来。又如“绿色奥运”是北京申办２００８年奥运会时提出的响亮口号之一，这一昭示未来的口号成为北京成功申办奥运会的重要法码,足以证明世界对绿色建筑的关注.现在各项筹备工作中，“绿色”都将渗透其间，备受人们关注的奥运建筑也将以绿色建筑为目标。绿色奥运建筑研究课题组的专家认为，整体设计对绿色建筑至关重要，必须考虑当地的气候、经济、文化等多种因素，从六个技术策略入手。要有合理的选址与规划，尽量保护原有的生态系统，减少对周边环境的影响，并且充分考虑自然通风、日照、交通等因素。要实现资源的高效循环利用，尽量使用再生资源。尽可能采取太阳能、风能、地热、生物能等自然能源。尽量减少废水、废气、固体废物的排放，采用生态技术实现废物的无害化和资源化处理，以便回收利用。控制室内空气中各种化学污染物质的含量，保证室内通风、日照条件良好，从而充分展示人文与建筑、环境及科技的和谐统一。制订符合我国国情的绿色建筑标准和评估体系不仅是实现绿色奥运的重要环节，同时也让中国建筑摆脱欧陆风、北美风,对中国这个建筑大国积极倡导“绿色”概念，引导建造者注重绿色和可持续发展具有重要作用,也必将成为北京奥运会的一大亮点.中国建筑业的一处辉煌，可以看出中国政府已经高度重视绿色建筑。

当然绿色建筑是一方面,归根结底它的源头还在绿色建材. 1992年，国际学术界明确提出绿色材料的定义：绿色材料是指在原料采取、产品制造、使用或者再循环以及废料处理等环节中对地球环境负荷为最小和有利于人类健康的材料。绿色建材是指采用清洁卫生生产技术、少用天然资源和能源、大量使用工业或城市固态废弃物生产的无毒害、无污染、无放射性、有利于环境保护和人体健康的建筑材料。绿色建材与传统建材相比有如下基本特征:其生产所用原料尽可能少用天然资源、大量使用尾矿、皮渣、垃圾、废液等废弃物。采用低能耗制造工艺和无环境污染的生产技术。在产品配置或生产过程中，不得使用甲醛、卤化物溶剂或芳香族碳氢化合物，产品中不得含有汞及其化合物，不得用含有铅、镉、铬及其化合物的颜料和添加剂，产品对人体无害，且有益于身体健康。

20世纪70年代以来,臭氧层破坏，温室效应，酸雨等系列全球性问题的日益加剧，人么已逐步认识到保护我们赖以生存的地球环境已不再只是政府，民间团体，科研机构的事情，每个人都应以自己的实际行动来直接参与环境保护工作。对于我们土木工程材料来说，在生产，使用过程中，一方面要消耗大量的能源，产生大量的粉尘和有害气体，污染大气和环境；另一方面，使用中会挥发出有害气体，对长期居住的人来说，会对健康产生消极的影响。鼓励和倡导生产，使用绿色建材，对保护环境，改善人民的居住质量，做到可持续的经济发展是至关重要的。然而对人体无害仅是绿色建材内涵的一个方面，绿色建材的发展战略，应从原料采集，产品的制造，应用过程和使用后的再生循环等四个方面进行全面系统的研发。土木工程才来哦与人类的可持续和谐发展是息息相关的。应该以科学的发展观来指导土木工程材料的研究，开发与应用，并且要毫不犹豫地坚持可持续发展战略。

科学技术以前所未有的速度和规模迅猛发展，增强了人类改造自然的能力，给人类社会带来空前的繁荣，也为今后的进一步发展准备了必要的物质技术条件。对此，人们产生了盲目乐观情绪，好象自己已经成为大自然的主人，可以长期掠夺资源而不会受到大自然的惩罚。然而，这种掠夺式生产已经造成了生态和生活的破坏，大自然向人类亮起了红灯。我国人均资源相对不足，生态环境基础薄弱，实现可持续发展战略是中华民族彻底摆脱贫困、创建高度文明的最明智选择。我国是在经济还不够发达，人民不够富裕，发展任务及其繁重的情况下，选择可持续发展道路。我们没有发达国家在工业化过程中拥有的环境容量，也没有发达国家的资金和技术优势。中国当前的主要问题是人口多，人口多又要发展，因此，发展与生态环境的矛盾就显得十分突出。这一问题对我国比对其它国家来说要严峻得多和现实得多。现在大家对走可持续发展的道路已基本上取得了共识，这种共识是以前从来没有的，这给我们解决环境与发展问题，走出经济效益低，资源短缺、环境恶化的恶性循环怪圈提供了的千载难逢的好机会。

不论怎样建设世界,实施可持续发展的首要重担就落在了我们这些土木工作者的肩膀上了.

4.应对土木面临的挑战和机遇

世界已经进入二十一世纪的初期，正如大部分人所说的，世界经济发展的热区将从环太平洋的东海岸转移到西海岸，而中国就是这个热区中的热点。随着改革开放的的不断深入和经济的迅速发展，中国将面临一个更大规模的建设高潮。这种形势为中国土木工程个学科的发展提供了一个难得的发展环境，这一优势甚至西方也不具备。我们能不能把握好这个千载难逢的好机会，能不能准确判断学科发展的趋势，能不能按新世纪的要求精心培养造就我们的队伍，能不能在土木工程领域里带头超越西方发达国家，这是一个严峻的考验。

人口城市化是一个不可逆转的趋势。根据国际上发展中国家的资料统计，当城市人口接近总人口的30%—40%时不可避免地要出现经济的腾飞和基本建设的高潮。当今的中国正处于这个时期。可以说，我们正在从事世界上最大规模的基本建设。可以肯定，不仅在整体规模上，在单项上中国也会出现一披世界一流的项目。我们应该充分利用这一大好的发展背景来促进我国的科技进步，缩小自己国家与西方的差距。然而，如果我们不能充分把握这个机会，也完全可能丧失良机甚至一事无成，这是应该引起注意的。

而且中国申奥成功，土木建筑工程界机遇和挑战并存。北京申奥成功为我国土木建筑工程界带来新的机遇和挑战，空间结构技术领域将迎来大发展的新时代。前不久，天津大学主办的庆贺刘锡良教授执教五十周年暨第一届全国现代结构工程学术会议，其主旨在促进我国结构工程设计和施工领域的发展，交流理论研究和实践成果，推广近年来我国土建结构领域发展起来的新型结构体系，为实现2008年一流水平的奥运体育场馆的设计和施工提供学术、技术支持和储备。

天津是2008年北京奥运会分赛场。围绕奥运一流场馆建设的新型空间结构体系这一中心议题，与会专家学者对各种新型钢结构、空间结构、组合结构、杂交结构及奥运场馆建设施工中的材料及跨度等学术问题进行了充分研讨。刘锡良教授作了主题为“现代空间结构的新发展”的学术报告；两院院士马国磬、董石麟、龙驭球、赵国藩分别作了“2008年奥运会建筑规划”、“预应力大跨度空间钢结构的应用与展望”、“结构分析方法论”、“钢筋混凝土发展现状与展望”的学术报告。燕山大学的张凤文、北京纽曼蒂膜结构公司的李中立、天津大学的陈志华的论文“开合屋盖结构的研究”、“几种类型的索膜结构”和“弦支穹顶体系”的论文引起与会者关注，他们提出了现代结构工程领域当代世界最先进的“开合结构”、“索膜结构”等设计理论问题对建设2008年一流奥运场馆具有重要意义。

目前中国正处在一个从社会主义计划经济向社会主义市场经济转轨时期，这对土木工程学科的发展同时具备正、负面的影响和冲击。正面的影响在于：由于今后相当一段时间内，投入不足，逼使教育和科研更面向工程和社会。这无疑是一个巨大的促进。高楼深院式的土木工程高等教育和科研单位势必在此压力下出现根本改变。负面的冲击在于：教学科研的骨干忙于开发，在教学和纵向科研上投入越来越少。

“文化大革命”停止教育10年，使我们的队伍出现年龄的“断层”和技术上的“软弱层”。与国际水平相比，我们45岁以上的技术骨干平均年龄比国外大10岁，这正是“文化大革命”的结果。渡过这个“断层”的办法可以有两种，一种是大胆的启用青年力量，特别是启用我国实行学位制度以后培养出来的许多优秀的人才。折中“跨越式”的启用青年人可以较快地更新许多陈旧的学术环境，大幅度地降低骨干队伍的平均年龄。另一种是按部就班地“自然”更替，这样的后果表面上平稳，实质上会严重影响年轻科技人才的发展，在科学上贻误我们参与国际竞争的时机。

土木工程是具有很强的实践性的学科。在早期，土木工程是通过工程实践，总结成功的经验，尤其是吸取失败的教训发展起来的。从17世纪开始，以伽利略和牛顿为先导的近代力学同土木工程实践结合起来，逐渐形成材料力学、结构力学、流体力学、岩体力学，作为土木工程的基础理论的学科。这样土木工程才逐渐从经验发展成为科学。

在土木工程的发展过程中，工程实践经验常先行于理论，工程事故常显示出未能预见的新因素，触发新理论的研究和发展。至今不少工程问题的处理，在很大程度上仍然依靠实践经验。

土木工程技术的发展之所以主要凭借工程实践而不是凭借科学试验和理论研究，有两个原因：一是有些客观情况过于复杂，难以如实地进行室内实验或现场测试和理论分析。例如，地基基础、隧道及地下工程的受力和变形的状态及其随时间的变化，至今还需要参考工程经验进行分析判断。二是只有进行新的工程实践，才能揭示新的问题。例如，建造了高层建筑、高耸塔桅和大跨桥梁等，工程的抗风和抗震问题突出了，才能发展出这方面的新理论和技术。

在土木工程的长期实践中，人们不仅对房屋建筑艺术给予很大注意，取得了卓越的成就；而且对其他工程设施，也通过选用不同的建筑材料，例如采用石料、钢材和钢筋混凝土，配合自然环境建造了许多在艺术上十分优美、功能上又十分良好的工程。古代中国的万里长城，现代世界上的许多电视塔和斜张桥，都是这方面的例子。

因此我们要在实践中去接受挑战，从实践中去发现机遇。总之，我们正面临一个大发展，大变动和大换班的形势，在这个形势之下，危机和机遇并存。我们不仅应该有力争国际一流的意识，也应该特别强调危机意识和紧迫感。用正确的态度看待土木工程的挑战和机遇。

5.结束语—土木工程的展望

现代土木工程的特点是：适应各类工程建设高速发展的要求，人们需要建造大规模、大跨度、高耸、轻型、大型、精密、设备现代化的建筑物。既要求高质量和快速施工，又要求高经济效益。这就向土木工程提出新的课题，并推动土木工程这门学科前进。 随着土木工程规模的扩大和由此产生的施工工具、设备、机械向多品种、自动化、大型化发展，施工日益走向机械化和自动化。同时组织管理开始应用系统工程的理论和方法，日益走向科学化；有些工程设施的建设继续趋向结构和构件标准化和生产工业化。这样，不仅可以降低造价、缩短工期、提高劳动生产率，而且可以解决特殊条件下的施工作业问题，以建造过去难以施工的工程。人类为了争取生存，为了争取舒适的生存环境，预计土木工程必将有重大的发展。如重大工程项目将陆续兴建；土木工程将向太空、海洋、沙漠开拓；工程材料向轻质、高强、多功能话发展；设计方法精确化、设计工作自动化；信息化和智能化技术全面引入土木工程；土木工程的可持续发展。高强轻质的新材料不断出现。比钢轻的铝合金、镁合金和玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)已开始应用。对提高钢材和混凝土的强度和耐久性，已取得显著成果 ，而且还仍继续进展。

以往的总体规划常是凭借工程经验提出若干方案，从中选优。由于土木工程设施的规模日益扩大，现在已有必要也有可能运用系统工程的理论和方法以提高规划水平。特大的土木工程，例如高大水坝会引起自然环境的改变，影响生态平衡和农业生产等，这类工程的社会效果是有利也有弊。在规划中，对于趋利避害要作全面的考虑。

总的来说土木工程是一门古老的学科，它已经取得了巨大的成就，未来的土木工程将在人们的生活中占据更重要的地位。地球环境的日益恶化，人口的不断增加，人们为了争取生存，为了争取更舒适的生存环境，必将更加重视土木工程。在不久的将来，一些重大项目将会陆续兴建，插入云霄的摩天大楼，横跨大样的桥梁，更加方便的交通将不是梦想。科技的发展，以及地球不断恶化的环境必将促使土木工程向太空和海洋发展，为人类提供更广阔的生存空间。近年来，工程材料主要是钢筋，混凝土，木材和砖材，在未来，传统材料将得到改观，一些全新的更加适合建筑的材料将问世，尤其是化学合成材料将推动建筑走向更高点。同时，设计方法的精确化，设计工作的自动化，信息和智能话技术的全面引入，将会是人们有一个更加舒适的居住环境。一句话，理论的发展，新材料的出现，计算机的应用，高新技术的引入等都将使土木工程有一个新的飞跃。

在这个二十一世纪，我们已经看到中国土木工程界存在着一个可能超越西方发达国家的机遇。在中国近代史上，这种机遇并不多，我们应该抓住这个机遇，努力工作，改进我们的不足，实现这个超越，强大我们的祖国。希望寄托在我国青年科技工作者的身上。

参考文献

[1]马智亮，土木工程施工中的计算机运用与CIC和CALS [J]，二十一世纪土木工程学科的发展趋势，1997.6，P55-P61

[2]叶志明，江见鲸，土木工程概论[M]，北京，高等教育出版社，2006.11

[3]陶光龙,城市地下工程[M].北京,科学出版社,1996

[4]刘西拉，迎接二十一世纪的挑战[J]，二十一世纪土木工程学科的发展趋势，1997.6，Piii-Pv