土木工程發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

任秋榮，葉 龍，李向召

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

（安陽(yáng)師范學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安陽(yáng) 455000）

0 引言

縱觀人類文明史，土木工程建設(shè)在和自然斗爭(zhēng)中不斷地前進(jìn)和發(fā)展。在我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)中，土木工程業(yè)越來(lái)越成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。經(jīng)過(guò)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(wú)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(jī)尤其驚人。[1]

1 土木工程建設(shè)取得的巨大成就

自改革開(kāi)放以來(lái)我國(guó)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(lái)越多，而且在高度上也越來(lái)越高。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)我國(guó)已建成20層以上高層建筑物10 000多棟，超過(guò)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(guò)300 m。目前我國(guó)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(guò)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(guó)將有公路160萬(wàn)km,其中高速公路2.5萬(wàn)km，2010年，全國(guó)高速公路將達(dá)3萬(wàn)km。到2005年，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程約達(dá)7.5萬(wàn)km，首條跨海的粵海鐵路通道，全長(zhǎng)542.6 km；國(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)的高原鐵路，是西部大開(kāi)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(guó)十二五期間取得的優(yōu)異成績(jī)。

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(guó)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(cè)。而楊浦大橋、南浦大橋、蕪湖長(zhǎng)江大橋、南京長(zhǎng)江二橋等大跨橋梁的建成都標(biāo)志著我國(guó)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(guó)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(wàn)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(shì)

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(zhǎng)的速度是不斷加快的。據(jù)聯(lián)合國(guó)有關(guān)機(jī)構(gòu)的報(bào)告預(yù)測(cè),到20005年世界人口將超過(guò)85億。另?yè)?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(lái)的五個(gè)發(fā)展方向。

圖1 我國(guó)十二五期間交通建設(shè)的成績(jī)

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(zhǎng)30km，最大主跨為2000m的吊橋方案;全線長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)波臺(tái)鋼塔，由15根鋼絲繩錨拉。日本擬在美國(guó)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(chǎng)，工作人員30萬(wàn)，住戶l4萬(wàn)。另外，日本還提出建造一座超整體結(jié)構(gòu)，高4000米（高過(guò)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(lái)，隨著高標(biāo)號(hào)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(kāi)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(lái)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(guó)、俄羅斯等國(guó)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(guó)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(guó)外承擔(dān)，鋼材幾乎全從國(guó)外進(jìn)口，工程總承包也大多由國(guó)外承擔(dān)，而鋼結(jié)構(gòu)制作與安裝則主要由國(guó)內(nèi)單位承擔(dān)。

2）截止到1996年底我國(guó)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(wú)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)際先進(jìn)水平，這也為地下空間開(kāi)發(fā)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。隨著人口的增長(zhǎng)，空間資源越來(lái)越緊張，開(kāi)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(shì)：1）綜合化。國(guó)外地下空間發(fā)展的主要趨勢(shì)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(kāi)發(fā)逐步向深層發(fā)展。如加拿大修建的地下車庫(kù)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(kāi)挖的主要趨勢(shì)。5）在鉆爆法掘進(jìn)中采用數(shù)字化掘進(jìn)的趨勢(shì)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(kāi)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(zhǎng)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(kāi)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(lái)組裝太空試驗(yàn)站，這也表明土木工程的活動(dòng)場(chǎng)所在不久的將來(lái)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(wàn)公頃耕地被侵蝕。中科院的調(diào)查表明，我國(guó)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(wàn)平方米。世界未來(lái)學(xué)會(huì)對(duì)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(guó)際上還在研究開(kāi)發(fā)使用沙漠地區(qū)太陽(yáng)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(kāi)發(fā)區(qū)。

目前，許多國(guó)家將建筑空間向海洋拓寬，阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)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(zhǎng)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(lè)場(chǎng)等。近些年來(lái)，我國(guó)在這方面也已取得可喜的成績(jī)，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(guó)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(duì)土木工程的施工過(guò)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(guò)程效率，降低施工成本通過(guò)信息化建設(shè)，使信息化覆蓋規(guī)劃、勘測(cè)、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(guò)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(duì)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(cè)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(lái)建筑空間的必然趨勢(shì)，目前我國(guó)在這方面已取得了一些成績(jī)，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但我國(guó)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(guó)家相比還有一定的差距。展望未來(lái)，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(jí)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)綜述[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 13(2).

[2]李國(guó)強(qiáng).我國(guó)高層鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要問(wèn)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(shì)[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(shì)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(rùn).土木工程信息網(wǎng)站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].國(guó)防交通工程與技術(shù), 2003, (2).