土木工程，力學(xué)原理的王國(guó)

最近網(wǎng)上有一個(gè)很火的視頻，說(shuō)的是四川大學(xué)副教授魏驍勇在課堂上徒手劈磚來(lái)講授物理力學(xué)原理，想必理科生都知道這其中涉及的動(dòng)量定理和杠桿原理等力學(xué)原理。土木工程專業(yè)就是一個(gè)跟力學(xué)原理息息相關(guān)的專業(yè)。說(shuō)到土木工程，大家都不會(huì)陌生，同學(xué)們的課本里就有不少涉及土木工程的課文，比如小學(xué)所學(xué)的《趙州橋》：“大橋洞頂上的左右兩邊，還各有兩個(gè)拱形的小橋洞。平時(shí)，河水從大橋洞流過(guò)；發(fā)大水的時(shí)候，河水還可以從四個(gè)小橋洞流過(guò)。這種設(shè)計(jì)，在建橋史上是一個(gè)創(chuàng)舉，既減輕了流水對(duì)橋身的沖擊力，使橋不容易被大水沖毀，又減輕了橋身的重量，節(jié)省了石料?！碑?dāng)時(shí)你讀這篇文章的時(shí)候，有沒(méi)有想過(guò)它運(yùn)用了哪些力學(xué)的知識(shí)呢？

一個(gè)由力學(xué)組成的王國(guó)

趙州橋之所以特別，最大的原因在于李春在傳統(tǒng)的拱橋工藝上，對(duì)趙州橋的拱肩進(jìn)行了重大改進(jìn)，也就是課文所說(shuō)的增加了四個(gè)小橋洞。這種大拱加小拱的敞肩拱，除了能增加泄洪能力，減輕橋身的自重外，還符合土木工程的結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，敞肩拱式結(jié)構(gòu)在外荷作用下，拱主要產(chǎn)生壓力，而橋的拱結(jié)構(gòu)支座（也就是拱腳）產(chǎn)生水平推力，在橋兩邊的支座處的荷載可以傳給基礎(chǔ)，使構(gòu)件擺脫了彎曲變形，橋就不會(huì)因?yàn)樯厦娴暮奢d而變形導(dǎo)致?lián)p壞。說(shuō)到趙州橋的材料，用密度比較大的磚石去做拱，正好發(fā)揮磚石材料受壓性能好的特點(diǎn)。而且為了使相鄰拱石緊緊貼合在一起，每塊拱石的側(cè)面都鑿有細(xì)密斜紋，以增大摩擦力。這些措施的采用使整個(gè)大橋連成一個(gè)緊密整體，增強(qiáng)了整個(gè)大橋的穩(wěn)定性和可靠性。就是在結(jié)構(gòu)、材料、理論等力學(xué)的完美結(jié)合下，才使得趙州橋能屹立一千四百多年不被沖垮、不倒塌，并成為美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)選定的第12個(gè)“國(guó)際歷史土木工程的里程碑”。

各位，從這里可以看出，力學(xué)的學(xué)習(xí)是貫穿于土木工程的學(xué)習(xí)中的。我在學(xué)習(xí)土木工程這個(gè)專業(yè)的過(guò)程中，學(xué)過(guò)的力學(xué)有理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、土力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、彈性力學(xué)等。它們涉及土木工程這個(gè)大學(xué)科的方方面面。

理論、材料與結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出的奇跡

下面我們就來(lái)認(rèn)識(shí)土木工程力學(xué)的三駕馬車吧。

首先說(shuō)理論力學(xué)，這個(gè)很簡(jiǎn)單，就是高中物理力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)的延伸。我們現(xiàn)在高中物理書(shū)除了電磁學(xué)和量子力學(xué)的章節(jié)不在土木工程學(xué)習(xí)的理論力學(xué)的范疇里，其他的都可以想象成牛頓、拉格朗日、高斯等大家對(duì)你的再次鞭策。也就是說(shuō)，你必須要有高中的力學(xué)基礎(chǔ)。

材料力學(xué)則是伴隨著土建材料的發(fā)展而形成的。人們?cè)诠糯缙谥荒芤揽磕嗤?、木料或其他天然材料從事建造活?dòng)，像我們熟悉的黃鶴樓、岳陽(yáng)樓、滕王閣，都是木材料建筑物。到磚和瓦等材料出現(xiàn)后，人工建筑材料開(kāi)始廣泛地被應(yīng)用于各種建筑中。李冰父子修建的都江堰和一直修到明清時(shí)期的中國(guó)長(zhǎng)城都是其中的佼佼者。19世紀(jì)后，鋼材開(kāi)始用于建造橋梁和房屋，最負(fù)盛名的埃菲爾鐵塔便是一座建于1889年的鋼結(jié)構(gòu)建筑，位于法國(guó)巴黎戰(zhàn)神廣場(chǎng)上的鏤空結(jié)構(gòu)鐵塔，高300米，天線高24米，總高324米。材料的發(fā)展使得材料力學(xué)發(fā)展迅猛，材料力學(xué)就是分析材料的幾何性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)，計(jì)算出材料的強(qiáng)度，研究其是否能夠承受其受到的荷載，以保證建筑的安全性能。

而說(shuō)到結(jié)構(gòu)力學(xué)，最典型的就是我國(guó)的木結(jié)構(gòu)建筑。我國(guó)的木結(jié)構(gòu)建筑有兩大特點(diǎn)，一是木結(jié)構(gòu)大多是榫卯連接，即將木件打造成凹凸結(jié)構(gòu)，再把它們相互扣合，這種結(jié)構(gòu)的建筑很容易按人的空間需求來(lái)改建、加建或是遷建，有利于“變”。另一個(gè)特點(diǎn)是地上立柱，柱上架梁枋，梁枋上建屋頂。頂部重量就由梁枋到柱，再由柱到地面，墻壁只是起到隔斷作用而不承重。由于木結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件之間榫卯連接富有韌性，即便墻倒也能“屋不塌”。這種技術(shù)一直流傳至今，最有名的榫卯連接建筑要數(shù)　2010　年上海世博會(huì)的中國(guó)館了。中國(guó)館的整體造型似斗拱，是典型的榫卯結(jié)合構(gòu)件，由斗與拱組合而成，從柱頂探出的弓形肘木叫拱，拱與拱之間的方形墊木叫斗，兩者合稱斗拱。作為力傳遞的中介，斗拱能把屋檐重量均勻地托住，起到了平衡穩(wěn)定的作用。古時(shí)候沒(méi)有力學(xué)理論，工匠們也只能口口相傳。后人們通過(guò)總結(jié)將這些內(nèi)容整理成一門科學(xué)，這就是結(jié)構(gòu)力學(xué)。

實(shí)踐是檢驗(yàn)所學(xué)的第一標(biāo)準(zhǔn)

此外，土木工程專業(yè)的學(xué)生還必須熟練掌握基本的辦公軟件和AUTOCAD等繪圖軟件，掌握這些軟件，是能夠看懂和畫(huà)出施工圖、結(jié)構(gòu)圖的前提。而作為一門工科專業(yè)，土木工程自然也注重實(shí)驗(yàn)，只有在實(shí)驗(yàn)課上認(rèn)真處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，把理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，才能將書(shū)本上縹渺的知識(shí)記錄到腦子里。土木工程專業(yè)也很注重實(shí)踐，我們每個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)都會(huì)有實(shí)習(xí)安排，或是到工地施工放線，調(diào)經(jīng)緯儀進(jìn)行施工測(cè)量，將組織施工的順序弄清楚；或是到設(shè)計(jì)院學(xué)習(xí)，熟練掌握CAD繪圖軟件等，這些實(shí)踐活動(dòng)往往是你今后工作的前奏。學(xué)習(xí)土木工程更需要耐心，特別是在數(shù)學(xué)和力學(xué)的知識(shí)上要懂得深究。這些都是你以后從事土木工程工作所必備的素質(zhì)。

土木工程專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)后多從事于工程設(shè)計(jì)、工程施工、工程管理、工程監(jiān)理四個(gè)方向的工作：

如果你是在設(shè)計(jì)院從事工程設(shè)計(jì)，能看懂設(shè)計(jì)圖，并能繪制出設(shè)計(jì)圖就非常關(guān)鍵了，在設(shè)計(jì)院工作的壓力也比較大，但是收入是和勞動(dòng)量成正比的。如果從事工程施工，工作地點(diǎn)大多是工地，主要是根據(jù)建設(shè)工程設(shè)計(jì)要求，對(duì)建設(shè)工程進(jìn)行施工。工程管理側(cè)重于工程建筑、施工管理以及房地產(chǎn)經(jīng)營(yíng)開(kāi)發(fā)，需要熟悉國(guó)家相關(guān)的方針政策和法規(guī)。工程監(jiān)理則是對(duì)工程建設(shè)投資、建設(shè)工期、工程質(zhì)量、工程合同進(jìn)行管理，協(xié)調(diào)有關(guān)單位之間的工作關(guān)系，即“三控、兩管、一協(xié)調(diào)”。一般來(lái)說(shuō)，工程設(shè)計(jì)人員的月薪在4000-8000元，工程施工人員月薪在3000-7000元，工程監(jiān)理人員月薪在3000-5000元，工程管理人員月薪在4000-10000元。當(dāng)然個(gè)人收入是因工程規(guī)模而異。