第11章 土木工程的专业基础11.1 土木工程材料11.1.1 土木工程材料的发展历程 材料、信息、能源是现代文明的三大支柱，因此，材料是现代科学的基础，对建筑 结构的发展起关键作用的要属作为工程物质基础的土木工程材料（或称“建筑材料” ）。土木工程材料是土木工程结构的物质基础，关系到工程的使用功能和耐久年限 。每当出现新的优良的土木工程材料时，建筑结构就会有飞跃式的发展。 原始社会，我们祖先在与猛兽和大自然的斗争中，极需一个安全的栖身之所，但当 时没有工具，他们只能住在穴洞里，仅仅采集树枝树叶作遮盖。旧石器时代，有了 简单的工具，人们伐木搭建草棚，居住条件得到一定改善。但此时人们仍处于“穴居 巢处”的落后时代。远在距今400010000年的新石器时代，由于石器工具的进步， 劳动生产力提高，人们以土、木和石头、等天然材料为主建设自己的家园。这时人 们主要使用黏土来抹砌简易的建筑物，有时还掺入稻草、稻壳等植物纤维加筋增强 ，有的甚至经过烧烤处理。在我国和古埃及一些古代建筑物上发现，当时将砖块样 的土坯放在太阳中晒干而不用火烧，每一砖层上铺一层泥浆，这层泥浆干燥后就可 以加固砖坯墙身。火的使用使烧土制品（比如砖、瓦和石灰等）成为可能。于是， 建筑材料由单纯的天然材料进入了人工生产阶段。砖、瓦和石灰的出现被认为是建筑结构的第一次飞跃，人们在早期只能依靠泥土 、木料、石料等天然材料从事营造活动。在公元前11世纪的西周初期，我国劳动人 民就能制造出砖和瓦，随后作为胶凝结材料的石灰也应运而生。随着砖、瓦和石灰这 些人工建筑材料的出现，人类第次冲破了天然建筑材料的束缚。与土相比，砖、瓦 和石灰具有更优越的力学性能，其用于房屋的建造，牢固性大大增强，且可以隔绝潮 气。砖和瓦可就地取材，加工和烧制又比较容易。从此，人们开始大量、广泛地修建 房屋、水利和防御工程。所以说，砖、瓦和石灰的出现是人类建筑结构史上的一个里 程碑。在长达三千多年的时间里，砖、瓦和石灰一直是土木工程领域的重要建筑材料 ，为人类文明作出了伟大的贡献。 混凝土的大量应用是建筑结构的第二次飞跃。19世纪20年代，波特兰水泥（即我 国所称的“硅酸盐水泥”）制成后，混凝土开始大量应用于建筑结构。混凝土中砂、石 骨料可就地取材，混凝土构件易于成型，这是混凝土能广泛应用于土木工程结构的得 天独厚的条件。混凝土承受压力的能力虽较好，但承受拉力的能力却很小，使其用途 受到很大限制。19世纪中叶以后，钢铁产量激增，随之出现了钢筋混凝土这种新型 的复合建筑材料，其中钢筋承担拉力、混凝土承担压力，发挥了各自的优点。从此， 钢筋混凝土广泛地应用于建筑结构。20世纪30年代，预应力混凝土的出现，极大地 提高了钢筋混凝土结构的抗裂性能、刚度和承载能力，因而用途也更为广阔。钢材的大规模应用是建筑结构的第三次飞跃。人们在17世纪90 年代开始使用生铁，19世纪初开始使用熟铁建造桥梁和房屋，这是 现代意义上钢结构出现的前奏。到了19世纪中叶，冶金业冶炼并轧 制出抗拉和抗压强度都很高、延性好、质量均匀的建筑钢材，随后 又生产出了高强度钢丝、钢索。于是，钢结构得到蓬勃发展。刚开 始，钢材只应用于梁、拱结构，后来，钢材也逐渐应用于新兴的桁 架、框架、网架和悬索结构，出现了土木工程结构形式“百花争艳” 的局面。建筑物跨径随之从砖结构、石结构、木结构的几米、几十 米发展到钢结构的百米、几百米，直到现代的千米以上。于是，在 地面上建造起摩天大楼和高耸铁塔，大江、大河及海峡上架起大桥 ，甚至在地面下铺设铁路，创造出了史无前例的奇迹。 从建筑结构经历的三次大飞跃可以看出建筑材料的技术水平决 定着建筑结构的发展。如今，各种混凝土外加剂的生产和应用，使 得高强混凝土、自密实混凝土、高性能混凝土的配制和施工应用易 如反掌，加之钢材与混凝土组合形式的多样化，土木工程材料的内 涵不断丰富，极大地促进了土木工程技术的发展。11.1.2 土木工程材料的分类 土木工程材料按材料来源可分为天然材料、人造材料、等；按使用部位可分为结 构材料、屋面材料、墙体材料、地面材料、等；按功能可分为防水材料、装饰材料 、承重材料、绝热材料、等。最常见的分类方法是按基本组成分类，见表11-1-1。 金属材料的特点是不透明、密度大、导电导热、变形大（金属键），有机材料的特 点是透明或半透明、密度小、绝缘、导热性差、变形大、耐热性差（共价键），无 机非金属材料的特点是硬、脆、是热和电的绝缘体、耐热、耐化学侵蚀（离子键） 。 表11-1-1 常用土木工程材料的分类11.1.3 土木工程材料的基本性质土木工程材料的基本性质包括基本物理性能、力学性能、材料与水有关 的性能、材料的热工性质、材料的耐久性、等。 基本物理性质包括密度、表观密度、堆积密度、孔隙率、空隙率、等。 力学性质包括强度、弹性、塑性、脆性、韧性、硬度、耐磨性、等。 材料与水有关的性质包括亲水性、憎水性、吸水性、吸湿性、耐水性、 抗冻性、抗渗性、等。 材料的热工性质包括导热性、热容量、比热、热阻、传热系数、等。 材料的耐久性是指材料在使用条件下，受各种内在或外在因素作用，能 长期不破坏，不失去原有性能，仍能正常使用的性质。影响材料耐久性的 因素有物理作用、机械作用、化学作用、生物作用。为提高材料的耐久性 ，可根据材料特点和使用情况采取相应的措施，除从材料本身组成、结构 上设法外，还应提高材料对外界作用的抵抗力（如提高密实度、防腐处理 、化学浸渍等）；用其它材料保护主体材料（覆面、抹灰、喷涂涂料等） ，也可设法减轻侵蚀介质对材料的破坏作用（降低湿度、排除侵蚀性物质 、通风、疏导等）。材料的高耐久性可保证工程长期正常使用、减少维修 费用、延长使用年限、节约社会财富。11.1.4 材料的组成、结构及其对材料性能的影响 1）材料组成。材料组成包括化学组成、矿物组成、配料组成3类。材料的化学组 成对材料性能具有显著影响，这是土木工程结构三大材料的共性。材料的矿物组成 对材料性能也具有显著影响（比如金刚石和石墨）。材料的配料组成同样对材料性 能具有显著影响，比如混凝土的配合比问题。例如：混凝土需配料形成，其中的粗 骨料为多矿物组成，矿物成分中的某一种为化学组成。 2）材料结构。材料结构可分为微观结构、宏观结构、孔结构、等。材料结构形 式及特点不同其性能也差异很大。 11.1.5 土木工程材料的技术标准 技术标准是对标准化领域中需要协调统一的技术事项所制定的标准。技术标准主 要包括基础标准、产品标准、方法标准、安全标准、卫生标准、等。土木工程材料 涉及的主要是产品标准、方法标准。标准按约束性可分为强制性标准、推荐性标准 。涉及工程建设的质量、安全、卫生标准及国家需要控制的其它工程建设标准，产 品及产品生产、储运的标准等均为强制执行的标准，除此以外的为推荐性标准。标 准等级分国家标准、行业标准、地方标准、企业标准。我国标准的代号和编号为国 家标准GB、GB/T；行业标准JC、JGJ、SY、等；地方标准DB、DB/T；企业标准Q 。外国标准的代号和编号是：ASTM为美国材料试验协会；JIN为日本工业标准； DIN为德国工业标准；BS为英国标准；NF为法国标准；ISO为国际标准化组织。我 国标准的表示方法是“标准代号标准发布顺序号发布年代名称”，比如“GB175 2001 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥”。标准随着时代的进步和变化在不断地修订 ，标准的作用是保证所规定事物的达到一定的水准和要求。11.2 土木工程制图语言和文字是交流思想的工具，语言表达方法丰富多彩，它可以把一件事描述得生动、感 人。关于语言的表达方法，是语文课学习的内容。但是，任何事物都有它的不足之处。 人们可以用语言或文字来表达自己的思想，但是如果用语言或文字来表达物体的形状和大 小是很困难的。因此，表达物体形状和大小的图样，就成为生产中不可缺少的技术文件了 。设计者通过图样来表达设计对象；制造者通过图样来了解设计要求，并依据图样来制造 机器；使用者也通过图样来了解机器的结构和使用性能；在各种技术交流活动中，图样也 是不可缺少的。因此，图样被称为工程技术上的语言，工程画被称为“工程话”。 不同的生产部门对图样有不同的要求，建筑工程中使用的图样称为建筑图样，机械制造业 中所使用的图样称为机械图样。机械制图就是研究机械图样的一门课程。人们在工厂里经 常听到这样一句话，就是“按图施工”，如果我们没有掌握机械制图的知识，就无法做到按图 施工。这就从一个侧面告诉我们，图样在工业生产中有着极其重要的地位和作用。作为一 个工程技术人员，如果不懂得画图，不懂得看图，在单位上就无法从事技术工作。 工程图学是研究工程技术领域中有关图的理论及其应用的科学。包括：理论图学、应用图 学、计算机图学、制图标准化、制图技术、图学教育以及图学史等内容。工程制图又叫工 程画。它是研究绘制与阅读工程技术图样的学科。包括：机械工程制图、建筑工程制图、 土木工程制图、水利工程制图、化学工程制图、船舶工程制图等。其主要内容有：绘制工 程图样的基本原理；仪器画图、徒手画图和计算机画图的方法；有关图样画法、尺寸注法 、图形符号等的标准和规定；看图的方法等。建筑工程制图有画法几何、制图基础、建筑工程制图3部分组成。画法几何部分主要介绍正 投影法的基本原理；点、直线、平面的三面投影规律；立体及其截交线；两回转体表面的相 贯线；等。制图基础部分主要介绍制图的基本知识、基本技能；形体分析法的基本原理和方 法；组合体三视图的画法、读法和尺寸标注；各种视图、剖面图、断面图的概念、画法、标 注方法及其适用条件；视图的恰当表达方案；轴测投影图的基本知识（比如正等轴测图和斜 二等轴测图）；等。建筑工程图部分主要介绍建筑施工图常用的符号、建筑材料、总平面图 、建筑构造及配件图例；一般建筑施工图的图示特点；建筑施工图一般的画图步骤；一般建 筑施工图的阅读方法与步骤；结构施工图的基本知识；一般基础平面图及基础详图的绘制和 阅读；楼层和屋顶结构布置平面图的绘制与阅读方法；钢筋混凝土构件详图的阅读与绘制； 等。 计算机绘图是计算机图学的一个分支，它的主要特点是给计算机输入非图形信息，经过计算 机的处理，生成图形信息输出。一个计算机绘图系统可以有不同的组合方式，最简单的是由 一台微型计算机加一台绘图机组成。除硬件外，还必须配有各种软件，如操作系统、语言系 统编辑系统、绘图软件和显示软件等等。 当操作者通过键盘或图形输入板输入原始数据后，系统便可自动进行绘制和显示工作，一个 复杂的零件图或装配图，往往可以在几分钟甚至几秒钟之内完成。这种绘图方式称自动绘图 。它的优点是快捷而省事，缺点是观察者不能对绘制和显示过程进行干预，只能在过程结束 后才能得知输出结果的正误。这种绘图和显示又叫被动的（或静态的）计算机绘图。 有许多绘图工作，尤其地设计阶段，不可避免地要进行反复试画和推敲，而产品的不断更新 也要求对已定型图纸进行必要的修改。为此在图形的绘制和显示过程中，需要有观察者的参 与，要求系统具有人机对话的交互功能。这样的系统称为动态的计算机绘图。在动态绘图中 ，观察者根据需要可以控制和干预正在显示的图形，直接在荧光屏上对图形进行修改和增补 。该系统目前所使用的人机交互工具有光笔、鼠标器、图形输入板或数字化仪，以及操纵杆 、轨迹球等。11.3 土木工程设计学土木工程设计主要包括外形设计（比如建筑学专业的建筑设计）和结构设计2部分 。11.3.1 外形设计 土木工程外形设计的好坏决定于建筑师的修养，建筑师的修养是经过长期的自我修 炼形成的。建筑是一门给环境带来美感的艺术，要想设计美好的建筑，必先美化自己 的心，这便是修养。近代欧美建筑史上有许多优秀建筑师具有极其丰富的自然科学知 识（包括气象学、生态学、地理、地质、物理学、机械学等），并直接灵活运用到其 设计中去，所以有所谓“绿色建筑”、“自然建筑”、“环境建筑”、“太阳能建筑”等等。 11.3.2 结构设计 我国现行规范采用了半概率极限状态设计方法。即同时以极限状态