作者：邓东生
出版社：湖北科学技术出版社
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土木工程概论试读：
前言
土木工程是建造各类工程设施的科学、技术和工程的统称，是一门涉及众多知识领域、范围广泛的综合性学科。目前我国本科教育正向综合素质教育过渡，要求学生强基础、宽知识，以适应科技发展和知识更新的需要。为了普及土木工程科学知识，满足21世纪高等院校土木工程应用型本科人才培养需要，编者不揣浅陋编写了此书。通过学习本课程，土木工程专业低年级的学生可以了解土木工程的历史现状、基本内容和发展情况，了解土木工程基本理论，提高学习兴趣，培养自主学习能力，为今后学习奠定良好基础。
本书编者结合长期实践经验，按土木工程内容体系编写，充分考虑到土木工程专业特点，尽量以较小的篇幅全面反映土木工程所涉及的各个领域，以满足应用型本科培养的教学要求，同时本书亦可作为高职高专院校学生的参考教材。
全书共十章，参加本书编写工作的有：邓东生（第二至第五章）、朱泽奇（第一章及第六章）、张玉敏（第七章）、孙丽梅（第八章）、徐玮（第九章）、马昌勤（第十章）。
在本书编写过程中，参考了一些院校同类教材及一些优秀文献，均在参考文献中列出，并在此向这些作者致谢。同时，本书的出版得到了湖北科学技术出版社的大力支持，在此亦表示深切谢意。
由于编者认识和实践水平有限，书中不妥之处敬请读者批评指正。编者2012年3月第一章综述第一节土木工程及土木工程专业
建造各类工程设施的科学技术统称为土木工程。土木工程不但包括所应用的材料、设备和所进行的勘测、设计、施工、保养和维修等技术活动，还包括工程建设的对象，即建造在地上或地下、陆地或水中，以及直接或间接为人类生活、生产、军事和科学服务的各种工程设施，例如房屋、地铁、铁路、道路、运输管道、隧道、涵洞、桥梁、运河、港口、给水排水及防护工程等。
英文中土木工程为Civil Engineering，其字面意思为“民用工程”。它的原意与“军事工程”（Military Engineering）相对应。在英语中，历史上土木工程、电气工程、机械工程和化工工程因具有民用性，都属于Civil Engineering。后来，随着工程技术的发展，电气、机械和化工逐渐形成独立的学科，Civil Engineering就成了土木工程的专用名词。
土木工程伴随着人类文明产生和发展，是人类赖以生存的基础产业。土木工程学科体系产生于18世纪的英法等国，现已发展为现代科学技术的一个独立分支。新中国成立后的相当长的时间内，中国高等教育学科专业设置过于狭窄。土木工程学科在过去划分为铁道工程、桥梁与隧道工程、水利水电建筑工程、公路与城市道路工程、港口与海湾建筑工程、工业与民用建筑工程、环境工程和矿山建筑工程等10多个方向狭窄的专业。1998年教育部颁布了新的《普通高等学校本科专业目录》，使中国高等教育专业设置更有利于人才培养和社会发展需要。
目前，我国有200多所本科院校设置了土木工程专业。土木工程专业力求培养适应社会主义现代化建设需要，德、智、体、美全面发展，具有相应多种工作岗位适应能力及一定研究、创新及开发能力且受过工程师基本训练的高级人才。目前我国本科教育正向综合素质教育过渡，要求学生强基础、宽知识，以适应科技发展和知识更新的需要。
我国已逐步对土木工程行业从业人员实行注册认证制度，目前已建立了注册结构工程师、注册土木工程师、注册建造师、注册岩土工程师、注册监理工程师和注册造价工程师等多种认证制度，并制定了相应的认证程序和执业规范。第二节土木工程的性质和特点
人们的日常生活和各种工业建设都与土木工程息息相关。土木工程为人类活动提供了功能良好、舒适美观的空间和通道，可以抵御自然或人为的各种作用力。土木工程建设是社会化大生产，其产品体积庞大，建设场所固定，建设周期长，投资数额大，占据资源多。土木工程有下面四个基本性质。1．综合性
土木工程是一门涵盖范围广泛的综合性学科，一般要经过勘测、设计和施工阶段，需要运用工程地质勘测、水文地质勘测、工程测量、土力学、工程力学、工程设备、建筑设备、建筑材料、工程机械和建筑经济等学科和施工技术、施工组织等领域的知识以及电子计算机和力学测试等技术。
随着科学技术的进步和工程实践的发展，土木工程已经发展为内涵广泛、门类众多、结构复杂的综合体系。人类活动有生息居住、生产活动、陆海空交通运输、信息传输和能源传输等需求，这就要求土木工程综合运用各种物质条件，以满足各种各样的要求。2土木工程已发展出许多分支，如建筑工程、铁路工程、道路工程、飞机场工程、桥梁工程、隧道及地下工程、特种工程结构、给水排水工程、城市供热供燃气工程、港口工程和水利工程等学科。2．社会性
土木工程伴随着人类社会进步而发展，工程设施可以反映出各个历史时期的社会、经济、文化、科学和技术发展的面貌，成为社会历史发展的见证之一。远古时代，人们就开始修建简陋的房舍、道路、桥梁和水渠，以满足简单的生活和生产需要。后来，人们为了适应战争、生产和生活及宗教传播的需要，兴建了城池、运河、宫殿、寺庙及其他建筑物。许多闻名的工程设施，如我国的万里长城、都江堰、京杭大运河、赵州桥、应县木塔，埃及的金字塔，希腊的巴台农神庙，罗马的给水工程等，显示出人类在那个历史时期的创造力。
进入20世纪后，钢筋和水泥实现了工业化生产，机械制造、能源技术和设计理论实现了突破，使土木工程得到了突飞猛进的发展，在世界各地出现了现代化规模宏大的工业厂房、核电站、高速公路、摩天大厦、铁路、大跨度桥梁、大直径运输管道、长大隧道、大运河、大堤坝、大型飞机场等工程。现在土木工程不断为人类社会创造崭新的物质环境，成为人类社会现代文明的重要组成部分。3．实践性
土木工程具有很强的实践性，在土木工程发展过程中，工程实践经验常先于理论，工程事故常显示出未能预见的新因素，从而引发新理论的研究和发展。自17世纪开始，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、土力学和岩体力学，作为土木工程的基础理论学科，这样土木工程才逐渐从经验发展为科学。
然而，目前不少工程问题依然靠实践经验进行处理。其原因在于客观情况过于复杂，难以如实进行室内试验、现场测试和理论分析。例如，由于岩土体材料的复杂性，地基基础、隧道及地下工程的受力和变形状态及随时间的变化特征，仍需要参考工程经验进行分析判断。另外，只有进行新的工程实践，才能揭示新的问题。例如，建造高层建筑、高耸塔桅和大跨度桥梁等，工程的抗风和抗震问题突出了，才能发展这方面的新理论和新技术。4．技术、经济和艺术上的统一性
人们力求经济地建造一项工程设施，用以满足使用者的预定需要。而工程经济性则与各项技术活动密切相关。工程经济性首先表现在工程选址和总体规划上，其次表现在设计和施工技术上。工程建设总投资、工程建设后的经济效益和使用期间维修费用等，都是衡量工程经济性的重要方面。这些技术问题联系密切，需要综合考虑。
符合功能要求的土木工程设施作为一种空间艺术，首先是通过总体布局、本身体形、各部分尺寸比例、色彩、线条、明暗阴影与周围环境，同自然事物的协调和谐表现出来。其次通过附加于工程设施的局部装饰反映出来。工程设施造型和装饰还能够反映出民族风格、时代风格以及地方风格。一个成功的工程设施可使周围景物和城镇容貌增色，给人以美的感受；反之，则会破坏周围环境。
在土木工程长期实践中，人们注重房屋建筑艺术，选用不同建筑材料配合自然景观，建造了诸多艺术优美、功能良好的工程，如我国古代万里长城、现代的杭州湾跨海大桥、中央电视台（总部大楼）和国家体育馆（鸟巢）等，都是个性鲜明的工程实例。第三节土木工程发展简史
土木工程主要围绕材料、施工技术、力学与结构理论的演变而不断发展，其发展史大致可以划分为古代、近代和现代三个历史时期。41．古代土木工程
古代土木工程时间跨度大致从旧石器时代到17世纪中叶，所使用的材料最早为当地的泥土、石块、树枝、竹、茅草和芦苇等，后来开发出土坯、石材、木材、砖、瓦、青铜和铁等材料。古代土木工程所用的工具，最早只是石斧、石刀等简单工具，后来开发出斧、凿、锤、钻、铲等青铜和铁质工具，并研制了打桩机、桅杆起重机等简单施工机械。古代土木工程建设主要依靠实践生产经验，缺乏设计理论指导。
人类文明初始时期，掘地为穴，搭木为桥。在中国黄河流域的仰韶文化遗址中，遗存着浅穴和地面建筑，建筑平面有圆形、方形和多2室联排的矩形。洛阳王湾有一座面积200m的房屋，墙下挖有基槽，槽内有卵石，是墙基的雏形。在西安半坡遗址中，有很多圆形房屋，直径5～6m，室内竖有木柱来支撑上部屋顶，四周密排一圈小木桩，用以承托屋檐结构，如图1.1所示。图1.1 早期居住的房屋
英格兰的索尔兹伯里石环，距今已有4300年的历史，采用巨型青石近百块，每块重达10t，石环直径约32m，单块巨石高达6m，石环间平放厚重石梁，此梁柱结构至今仍为建筑基本结构体系之一。公元前3世纪左右出现了烧制的砖瓦，开始出现木构架和石梁柱等结构，并建造了许多大型的土木工程。
随着社会文明的进步，古代的埃及、印度和罗马等先后建造了许多大型建筑、桥梁和输水道等建筑物。如埃及金字塔，造型简单，计算准确，施工精细，规模宏大，是人类伟大的文化遗产，如图1.2所示。图1.2 埃及金字塔
在我国公元前3世纪中期，李冰父子在现今四川都江堰市主持修建了都江堰，解决了围堰、防洪、灌溉以及水陆交通问题，是世界上最早的综合性大型水利工程，如图1.3所示。我国利用黄土高原的黄土创造了夯土技术，河南省偃师市二里头早商的宫殿群采用夯筑式浅基础，安阳殷墟遗存有夯土台基，都说明当时的夯土技术已经成熟。万里长城从公元前7世纪开始修建，秦统一六国后，为防御北方匈奴的侵犯，在魏、赵、燕三国土长城的基础上进行了修缮和扩建。明朝又对长城进行了大规模的整修，东起鸭绿江，西至嘉峪关，全长达7000km以上。万里长城主要为砖石结构，有些地段采用夯土结构，在沙漠中则采用红柳、芦苇与沙粒层层铺筑6的结构。图1.3 都江堰
作为欧洲文化的摇篮，古希腊在公元前5世纪建成了以巴台农神庙为主体的雅典卫城，采用白色大理石砌筑，造型典雅庄丽，庙宇宏大，石质梁柱造型精美，是典型的列柱围廊式结构，在建筑和雕刻上都具有很高的成就，如图1.4所示。图1.4 巴台农神庙
古罗马建筑对世界建筑产生了巨大影响。古罗马大斗兽场建筑平面为椭圆形，长轴188m，短轴156m，立面为4层，总高为48.5m，场内有60排座位，可容纳4.8～8万名观众，在功能、形式和结构上做到了和谐统一，如图1.5所示。图1.5 古罗马大斗兽场
我国古代建筑主要以木结构为主，现存高层木结构建筑，当以山西应县佛宫寺释迦塔（应县木塔，1056年建）为代表，塔身外观5层，内有4个暗层，共9层，高67.31m，平面为八角形，是世界上现存最高的木结构之一。
我国古代不但在建筑上取得了辉煌成就，其他方面也取得了巨大成绩。秦朝统一中国后，修建了以咸阳为中心的通向全国的驰道，形成了辐射全国的交通网。道路的发展推动了桥梁结构的发展，桥梁结构最早为行人的石板桥和木梁桥，后来发展为石拱桥。秦朝咸阳修建的渭河桥，为68跨木构梁式桥。公元前60年就有了铁链悬索桥，四川泸定县大渡河的铁索桥建于1706年，桥跨100m，桥宽约2.8m。现存最完好的石拱桥为河北赵县的安济桥，又名赵州桥。该桥建于公元595—605年，全部采用石灰石建8成，全长50.83m，净跨37.02m，矢高7.23m，矢跨比小于1/5，桥面宽9m。在材料使用、结构受力、艺术造型和经济上该桥都达到了极高的成就，如图1.6所示。图1.6 河北赵县赵州桥
在水利工程方面也有新的成就。公元前3世纪秦朝在广西开凿灵渠，总长34km，落差32m，沟通湘江、漓江，联系长江和珠江水系。京杭大运河是世界上建造最早、长度最长的人工河道，开凿于春秋战国时期，隋朝时期全部完工，迄今已有2400多年历史。京杭大运河由北京到杭州，流经河北、山东、江苏和浙江四省，沟通海河、黄河、长江、淮河和钱塘江五大水系，全长1794km，至今京杭大运河的江苏段和浙江段仍是重要的水运通道，如图1.7所示。
欧洲以石拱建筑为主的古典建筑也达到了很高的水平。公元前4世纪，罗马采用拱券技术砌筑下水道、隧道渡槽等。罗马的万神庙（120—124年），采用圆形正殿屋顶，直径43m多，是古代最大的圆顶庙。意大利的比萨大教堂和法国巴黎圣母院大教堂，均为拱券结构。圣保罗主教堂中央穹顶直径34m，顶端距地面110m多，是英国最大的教堂，为英国古典主义建筑的代表。图1.7 京杭大运河
人们在建造大量土木工程的同时，注意总结经验，撰写了诸多优秀的土木工程著作，涌现了出众的工匠和技术人才，如我国的《木经》、李诫的《营造法式》和意大利阿尔贝蒂的《论建筑》等。2．近代土木工程
从17世纪中期到第二次世界大战前后，土木工程有了革命性进展，逐渐形成了一门独立学科。铸铁、钢材和钢筋混凝土等材料日益广泛使用。材料力学、理论力学、结构力学、土力学和工程结构设计理论等学科逐步形成，确保了工程结构的安全性和经济性。新的施工工艺和施工机械不断涌现，建造规模扩大，建设速度加快，可以建设房屋、桥梁、道路、铁路、隧道、港口、市政等设施。
伽利略的梁设计理论阐述了建筑材料的力学性质和梁的强度，是弹性力学的开端，欧拉的压屈理论给出了柱临界压屈荷载的计算公式，与牛顿力学三大定律为土木工程奠定了力学分析的基础。复形理论、振动理论和弹性稳定理论等在18世纪相继产生， 10使土木工程作为一门学科逐步建立起来。
18世纪末期，瓦特发明了蒸汽机，为土木工程提供了多种施工机具。1824年英国人J．阿斯普丁发明了波兰特水泥，1856年转炉炼钢法取得成功，为钢筋混凝土的产生奠定了基础。1875年法国人J．莫尼埃主持修建了第一座钢筋混凝土桥。1886年，美国芝加哥建成了9层家庭保险公司大厦，首次按照独立框架设计，并采用钢梁，被认为是现代高层建筑的开端。法国巴黎建成了高300m的埃菲尔铁塔，使用熟铁近8000t。土木工程的施工方法在这个时期实现了机械化和电气化，打桩机、压路机、挖土机、掘进机、起重机和吊装机等施工机械纷纷出现，可以高效快速地建设各种设施。1825年，英国首次使用盾构法开凿了泰晤士河隧道，如图1.8所示。1906年，瑞士修筑了通向意大利的辛普朗隧道，长19.8km，使用了大量黄色炸药和凿岩机等先进设备。1869年美国建成了横贯北美大陆的铁路，20世纪初俄国建成了西伯利亚铁路。1863年英国伦敦建成了世界上第一条地铁。图1.8 英国泰晤士河隧道
桥梁工程方面，1779年英国用铸铁建成了30.5m 的拱桥， 1826年英国建成了梅奈铁链悬索桥，跨度达177m。1890年英国福斯湾建成了两孔悬臂式桁架梁桥，主跨达521m。1918年，加拿大建成了魁北克悬臂桥，跨度为548.6m。1932年，澳大利亚建成了悉尼港桥，为双铰钢拱结构，跨度503m，用钢量38万吨。1937年，美国旧金山建成了金门悬索桥，跨度1280m，全长2825m，塔高227m，每根钢索重64120kN，由27000根钢丝绞成。
由于工业发展和城市人口增多，大跨度高层建筑相继出现。1931年，美国纽约帝国大厦竣工，共102层，高381m，有效面积162万m，用钢量约5万余吨，内设67部电梯，配备有复杂管网系统，集当时技术成就之大成。帝国大厦从动工到交付只用了19个月，平均每5天搭建一层楼，如图1.9所示。图1.9 美国纽约帝国大厦
在引进西方的先进技术后，我国也先后建造了一些大型土木工程。1889年唐山设立水泥厂。1909年，由詹天佑主持的京张铁路建成，全长200km，达到当时世界先进水平。1934年上海国际饭店建成，高达24层。1937年已有近代公路11万km。我国的土木工程教育事业开始于1895年的北洋公学（今天津大学）和189612年的北洋铁路官学堂（今西南交通大学）。1912年中国土木工程学会成立。3．现代土木工程
在现代科学技术推动下，现代土木工程迅猛发展。以第二次世界大战结束为起点，由于经济复苏，科学技术得到飞速发展，土木工程也进入了新时代。从世界范围看，现代土木工程为了适应社会经济发展的需求，显示出以下特征。（1）功能多样化
现代公用建筑和住宅建筑要求结构具有良好的采光、通风、保温、隔音、减噪、防火、抗震及生态等功能。工业建筑物往往要求恒温、恒湿、防微尘、防腐蚀、防辐射、防火、防爆、防磁、除尘、耐高温及耐高湿等特点，并向大跨度、超重型、灵活空间方向发展。发展高科技和新技术也对土木工程提出高标准要求，如核反应堆、核电站等核工业建筑需要极高的安全度，海洋采炼、储油事业需要多功能的海洋工程建筑物（见图1.10）。现代土木工程的使用功能多样化程度不但反映了现代社会的科学技术水平，也折射出土木工程学科的发展水平。图1.10 核工业建筑（2）城市立体化
随着经济发展和人口增长，城市用地更加紧张，交通更加拥挤，迫使房屋建筑和道路交通向高空和地下发展。高层建筑成了现代化城市的象征，如美国芝加哥的西尔斯大厦，高422m，超过了纽约帝国大厦的高度。由于设计理论的进步和材料的改进，现代高层建筑出现了新的结构体系，如剪力墙和筒中筒结构。台北101大厦位于中国台湾台北市信义区，2004年建成，高508m，地上101层，地下5层，为了减少强风对建筑物的影响，台北101大厦在87～92楼安装了一个730t重的钢球风阻尼器。防震措施方面，台北101大厦采用新式的巨型结构，在大楼的四个外侧分别各有两支巨柱，共八支巨柱，每支截面长3m、宽2.4m，自地下5楼贯通至地上90楼，柱内灌入高密度混凝土，外以钢板包覆。阿联酋迪拜摩天大楼高828m，是世界第一高楼，如图1.11所示。上海金茂大厦位于陆家嘴金融贸易区，1998年建成，高421m，地上88层，地下3层。同时，城市高架公路和立交桥不断涌现，城市地下空间开发也如火如荼。地下铁道与建筑物连接，形成地下商业街。城市道路下面密布着电缆、给水、排水、供热、供燃气的管道，构成城市脉络。现代城市已经发展成了一个立体有机的系统，对土木工程各个分支及协作提出了更高的要求。图1.11 迪拜摩天大楼（3）交通高速化
第二次世界大战后，各国大规模修建高速公路。目前全世界已有80多个国家和地区拥有高速公路，通车总里程超过了25万km。我国第一条高速公路——沪嘉高速公路——于1988年建成，全长20.5km。目前我国高速公路通车里程已达400万km，位居全球第二。铁路也出现了电气化和高速化的趋势。日本的新干线：铁路行车时速210km/h以上，法国巴黎至里昂的高速铁路运行时速为260km/h。我国的京沪高速铁路，正线全长大约1318km，设计时速为350km/h，全线铺设无缝线路和无碴轨道，采取多种减振、降噪、低能耗、少电磁干扰的环保措施，全线实行防灾安全实时监控。2009年12月，武广高速铁路正式投入运营，如图1.12所示，最高时速394km/h，创造了当时世界高速铁路的最高运营速度。我国青藏铁路2006年7月正式通车，全长1956km，是世界上海拔最高、线路最长、穿越冻土里程最长的高原铁路。连接英国和法国的英吉利海峡海底隧道于1994年5月正式运营，该隧道全长50.5km，是当时世界上最长的隧道。2010年4月，我国最长海底隧道--胶州湾海底隧道全线贯通，隧道全长7.8km，设计时速80km/h。航空业也得到迅速发展，航空港遍布世界各地。世界上国际贸易港口超过了2200个，并出现了大型集装箱码头。图1.12 武广高速铁路（4）材料轻质高强化
普通混凝土向轻骨料混凝土、加气混凝土和高性能混凝土方向发展，钢材的发展趋势是采用低合金钢。高强钢丝、钢绞线和粗钢筋大量生产，使得预应力混凝土结构在桥梁、房屋等工程中得以推广。强度等级为500～600号的水泥在工程中普遍应用。如美国休斯顿的贝壳广场大楼，如采用普通混凝土则只能建35层，改用陶粒混凝土后，自重大为减轻，用同样的造价可以建造52层。高强钢材和高强混凝土结合使预应力结构得到较大发展，如我国重庆长江大桥的预应力T构桥，跨度达174m。铝合金、镀膜玻璃、建筑塑料、石膏板和玻璃钢等工程材料发展迅速。（5）施工过程工业化
大规模现代化建设使中国、俄罗斯和东欧的建筑标准达到了很高的程度。人们积极推行工业化生产方式，在工厂中成批地生产房屋、桥梁的各种配件和组合体等，如图1.13所示。多种现场械化施工方法也发展迅猛，高耸结构施工广泛采用同步液压千斤顶滑升模板。此外，钢制大型模板、大型吊装设备与混凝土自动化搅拌楼、混凝土自动化搅拌输送车和泵送混凝土技术等相结合，形成了一套现场机械化施工方法。图1.13 桥梁装配化施工
现代化技术使许多复杂工程成为现实，我国宝成铁路有80%的线路穿越山岭地带，桥隧相连；成昆铁路桥隧总长占全长的40%；我国的川藏公路、青藏公路和青藏铁路直通世界屋脊。现代化的盾构施工使得隧道施工进度加快，精度提高。在土石方工程中广泛采用定向爆破，解决了大量土石方施工的难题。（6）理论研究精密化
计算力学、动态规划法、结构动力学、网络理论、随机过程论和滤波理论等理论及方法不断涌现，并随着计算机的普及进入土木工程各个领域。静态的、确定的、线性的、单个的分析逐渐被动态的、随机的、非线性的、系统与空间的分析所代替。电子计算机使高次超静定分析成为可能，也可以进行大跨度桥梁分析与设计。如我国的中央电视台总部大楼和鸟巢体育馆，采用了大型计算机进行计算和分析。材料特性、结构分析、结构抗力计算和极限状态理论在土木工程各个分支中充分发展，基于作用效应和结构抗力概率分析的可靠性理论进入土木工程，工程地质、岩土力学也蓬勃发展，为开发地下和水下工程建立了理论指导。第二章工程材料
材料是人类赖以生存和发展的物质基础，与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱，80年代的新技术革命，把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。
土木工程中所使用的各种材料统称为土木工程材料。它是土木工程发展的物质基础，材料的类型、数量和质量将直接影响建筑物或构筑物的性能、寿命、功能和经济成本，从而影响人类生活空间的安全性、方便性和舒适性。
土木工程材料品种繁多，一般分为金属材料和非金属材料两类。金属材料包括黑色金属（铁、钢）、有色金属（铝、铜、合金）及合金制造的型材、管材、板材和金属制品等。非金属材料包括砂石、砖、瓦、石灰、石膏、水玻璃、水泥、混凝土、砂浆、无机涂料、石棉、矿棉和纤维制品等。也可以按功能分为结构材料和功能材料两类，结构材料有钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土、沥青混凝土、水泥混凝土、墙体材料、路面基层底层材料等。功能材料包括吸声材料、耐火材料和排水材料等。第一节胶凝材料
胶凝材料是指在物理化学作用下，从浆体变成坚固的石状体，同时可将砂、石、砖、砌块等散粒或块状材料胶结成整体并有一定强度的材料。常见的胶凝材料有石膏、水泥、石灰、沥青和各种树脂材料。石膏和石灰等胶凝材料只能在空气中硬化，可称之为气硬性胶凝材料。水泥等胶凝材料不但可以在空气中硬化，而且可18以在水中硬化，并保持或提高其强度，可称之为水硬性胶凝材料。1．沥青
沥青是复杂高分子碳氢化合物及非金属衍生物的混合物，呈黑褐色—黑色，常温下呈固体、半固体或液体状态，可溶于二氧化碳等有机溶液中。土木工程中常用的沥青主要有石油沥青、煤沥青和改性沥青。
石油沥青是石油经蒸馏炼出轻质油品及润滑油以后的残留物，经再加工得到的产品，呈黑色或棕褐色，为黏稠或固体状态，略有松香气味。石油沥青可用于屋面、地下防水、防腐蚀、道路路面或工业厂房地面等领域。
煤沥青为煤干馏为煤焦油，然后经分馏加工，提炼出各种油质后的产品，具有毒性和臭味，有较好的抗微生物腐蚀作用，常用于做防腐材料。
改性沥青是在沥青中掺入橡胶、树脂或高分子聚合物等外掺剂，或对沥青进行氧化、乳化或催化，使其性质得到改善，主要用于高等级道路路面。
将碎石、石屑、砂或矿粉等矿料与沥青拌合，可以形成沥青混合物，是高等级公路最主要的路面材料。2．石灰
石灰是石灰石经900 ～1100℃高温下煅烧形成的以CaO为主要成分的气硬性胶凝材料，又称生石灰。石灰硬化后强度低，耐水性差，故不宜在潮湿环境中使用，也不宜单独使用。
生石灰熟化为石灰膏时，氢氧化钙表面吸附一层水膜，使得由石灰配置的砂浆具有良好的可塑性。石灰浆体硬化后强度不高，配比为1∶3的石灰砂浆28d抗压强度通常只有0.2～0.5MPa。硬化后的石灰受潮后，结晶析出的碳酸钙会再次微溶，因此石灰不宜用在潮湿环境中。
工程使用时常将生石灰进行熟化，可以制成石灰膏，主要用于拌制砌筑砂浆和抹面砂浆。也可将生石灰淋以适当的水，消解成氢氧化钙，磨细筛分得到干粉，称之为消石灰粉，可用来拌制灰土和三合土，但不宜拌制砂浆。
石灰还可以制作碳酸盐制品，生产加气混凝土制品，如轻质墙板、切块、隔热保温制品及碳化石灰板等。3．石膏
石膏是以天然二水石膏矿石或含二水石膏的化学副产品和废渣为4原料，以CaSO为主要成分的气硬性胶凝材料。工程中常用的是建筑石膏，它是天然二水石膏经过烘干和120 ～140℃的煅烧，脱水形成的半水石膏，再磨细制成的一定细度的粉料。建筑石膏加水拌制后的浆体具有良好的可塑性，具有较好的防火、隔热、和吸声性能，有良好的装饰性和可加工性。建筑石膏除用于室内抹面、粉刷外，更多用于制成各种石膏制品。
建筑石膏制品容易吸湿和吸水，在水中二水石膏还会溶解，耐水性差。另外，建筑石膏制品中的水分受冻后体积膨胀产生崩裂，抗冻性差。
石膏可以生产各种浮雕和装饰品，如浮雕饰线、角花和艺术灯圈等。石膏制品轻质、美观、新颖、价廉，但强度低，耐水性差。为了提高石膏的强度及耐水性，近年来我国科研工作先后研制了多种石膏外加剂，扩展了石膏的应用范围。4．水泥
水泥是一种粉末状材料，加适当水调制后，经物理化学作用，可由可塑浆体变成坚硬石状体，水泥不但强度较高，而且还可以将散状、块状材料黏结成整体，可在水中或空气中凝结硬化，并保持发展其强度，是典型的水硬性胶凝材料。
水泥是土木工程中重要的建筑材料之一，其品种繁多，按其物质组成，可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥和氟铝酸盐水泥等。其中，应用最广泛的是硅酸盐水泥。20
硅酸盐水泥由熟料、0～5%石灰石或粒化高炉矿渣和适量石膏磨细而成，国外称之为波兰特水泥。硅酸盐水泥的优点是凝结硬化速度快、水化热大、抗冻性和耐磨性好、强度高，缺点是抗腐蚀性和耐热性差。硅酸盐水泥适用于早期强度高的工程、冬季施工工程、高强混凝土和预应力混凝土工程，不能用于大体积混凝土工程、高温环境工程、海水及侵蚀性介质存在的工程。
硅酸盐水泥可以和其他材料拌合成普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥及石灰石硅酸盐水泥等。另外还有一些特殊水泥，如快硬硅酸盐水泥、快凝快硬硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥、高铝水泥、膨胀水泥等。
水泥生产的主要工艺流程如图2.1所示。图2.1 水泥生产主要工艺流程
水泥加水拌合后即成为可塑的水泥浆，其后水泥浆逐渐变稠而失去塑性，但不具备强度，这一过程称为水泥的“凝结”。此后，强度逐渐提高，并变成坚硬的石状物体，即水泥石，称为水泥的“硬化”。水泥的凝结与硬化，除了与水泥熟料的矿物组成有关外，还与水泥的细度、加水量、硬化环境和硬化时间有关。
细度是影响水泥性能的重要物理指标。水泥颗粒粒径一般为0.007～0.2mm范围内，颗粒越细，与水发生反应的速度和凝结硬化速度就越快，强度也高，但是硬化后体积收缩较大，生产成本也较高。第二节混凝土
混凝土是由胶凝材料、集料和水按一定比例配制，经搅拌振捣成型，在一定条件下养护形成的人造石材。混凝土材料已经成为现代社会文明的物质基础，其原料丰富，价格低廉，生产工艺简单，抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽，因此使用范围十分广泛。
混凝土的种类很多，可按胶凝材料、表观密度和施工工艺等因素对其进行分类，如表2.1所示。表2.1 混凝土的分类1．普通混凝土
普通混凝土由水泥、粗集料、细集料、水和外加剂拌合硬化而成。砂、石起骨架作用，并抑制水泥收缩；水泥与水形成水泥浆，包裹在骨料表面并填充其空隙。硬化前水泥浆与外加剂起润滑作用，使拌合物容易搅拌，便于施工。硬化后水泥浆与外加剂起胶结作用，将骨料胶结成一个坚实的整体。
粒径在0.15～4.75mm之间的岩石颗粒成为细骨料，主要采用天然砂，有时也采用人工砂。粒径大于4.75mm的岩石颗粒成为粗骨料，主要有卵石和碎石。碎石表面粗糙，表面孔隙可以吸收水泥浆，与水泥石的黏结力较强；卵石表面光滑，与水泥石的黏结力较差，但和易性好。拌制和养护混凝土时宜采用饮用水。
随着混凝土技术发展，对混凝土性能提出了许多新要求，如泵送混凝土需要高流动性，冬期施工需要较高的早期强度，高层建筑和海洋结构要求高强、高耐久性。要想实现这些功能，就需要添加高性能的外加剂。混凝土外加剂种类繁多，工程中常用的外加剂主要有早强剂、减水剂、缓凝剂和防冻剂等。
在一定的施工条件下，为了便于施工，获得均匀密实的混凝土，混凝土拌合物需要有一定的和易性。和易性是一项综合技术指标，包括流动性、黏聚性和保水性三个方面。
混凝土硬化后的力学性能称之为混凝土强度，主要有抗压、抗拉、抗弯、抗剪、抗着及握裹强度，其中抗压强度最大，抗拉强度最小。
混凝土的变形在非荷载作用下的变形主要有化学收缩、干湿变形及温度变形等。水泥用量过多，混凝土内部易产生化学收缩，导致微细裂缝。
混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素作用，长期保持强度和外观完整性的能力，称为混凝土耐久性，主要包括抗冻性、抗渗性、抗蚀性及抗碳化能力等。2．纤维增强混凝土
将不连续短纤维均匀分散在混凝土基材中，就可以形成纤维增强混凝土。短纤维韧性及抗拉强度较高，纤维与水泥浆基材的黏结比较牢固，纤维间相互交叉和牵制，形成了遍布结构全体的纤维网，从而可以克服混凝土抗拉强度低、抗裂性能差、脆性大的缺点。3．聚合物混凝土
由有机聚合物、无机胶凝材料和骨料组成的新型混凝土，按制作工艺可以分为聚合物水泥混凝土、聚合物浸渍混凝土和聚合物胶结混凝土三种。聚合物混凝土具有快硬和高强的特点，可以显著改善混凝土的抗渗、耐蚀、耐磨、抗冻融以及黏结等性能，主要应用于混凝土快速修补、现场灌注无缝地面、储运液体的管道等场合。4．碾压混凝土
碾压混凝土的水泥和水的用量少，且水灰比小，用碾压设备压实，施工效率高，造价相对较低。主要作为路面或路面基层材料、抗渗性和抗冻性良好的筑坝材料、大体积混凝土工程的良好材料。
此外还有许多其他特殊混凝土，如硅粉混凝土、防辐射混凝土和自应力混凝土等。硅粉混凝土抗渗、抗冲、耐磨、抗蚀性能强，已应用于龙羊峡水电站和葛洲坝泄水闸的修补工程。世界第一大楼迪拜摩3天大楼（见图1.11）就采用了31万m的强化混凝土，强度非常高，而且还把混凝土垂直泵送到460m的高度。第三节墙体材料
墙体材料主要有普通砖、空心砖、煤矸石砖、粉煤灰砖、灰砂砖、页岩砖、普通混凝土砌块、轻质混凝土砌块、加气混凝土砌块、石膏砌块、石膏板材、水泥类墙板和复合墙板等。241．砖
砖主要由黏土、工业废料及其他材料，经泥料处理、成型、干燥和焙烧而成。砖按孔洞率不同可以分为普通砖和空心砖两类，如图2.2和图2.3所示。图2.2 普通砖图2.3 空心砖
普通黏土砖生产工艺简单，价格低廉，便于组合，但是毁坏田地，取土量大，能耗大，自重大，劳动强度高，加工效率低，因此我国在2005年起禁止生产黏土砖。目前主要推广烧结页岩砖、烧结粉煤灰砖和烧结煤矸石砖。烧结普通砖的外形为直角六面体，标准尺寸为240mm × 115mm × 53mm，抗压强度有MU30、MU25、MU20、MU15、MU10、MU7.5六个强度等级。烧结普通砖主要用于墙体、柱、烟囱及基础等。
烧结空心砖以黏土、页岩或粉煤灰为主要原料烧制而成，孔大而少，孔洞率一般在30%以上，自重较轻，强度较低，多用于非承重墙，如多层建筑内隔墙或框架结构的填充墙等。2．瓦
瓦主要以黏土、页岩、煤矸石等为主要原料，经泥料处理、成型、干燥和焙烧而成，主要作为屋面材料。瓦按成分可分为黏土瓦、水泥瓦、石棉水泥瓦、钢丝网水泥瓦、聚氯乙烯瓦、沥青瓦等。黏土瓦目前已被新型防水材料所代替。石棉水泥瓦以水泥和石棉纤维为主要材料，具有防火、防腐、耐热、耐寒、轻质等特点，可以作为简易工棚、仓库、临时设施的屋面。3．砌块
砌块是一种新型墙体材料，其生产工艺简单，生产周期短，可以充分利用地方资源和废料，砌筑方便灵活，通过空心化，可以改善墙体的保温隔热性能，是当前值得大力推广的墙体材料。按成分可分为粉煤灰砌块、加气混凝土砌块、混凝土砌块、石膏砌块等。
粉煤灰砌块以粉煤灰、石灰、石膏和集料等为原料，经加水搅拌、振动成型、蒸气养护后制成的密实砌块，适用于一般建筑物墙体，但不适用于受较大振动、高温、潮湿环境下的承重墙。
加气混凝土砌块以钙质材料和硅质材料为基本原料，经磨细，以铝粉为发气剂，经浇筑、发气、切割、蒸压养护等工艺制成的轻质、多孔的墙体材料。其保温和耐久性好，加工和施工方便，适用于框架结构的填充墙或非承重墙，也可以作保温隔热材料，但不得用于腐蚀性和潮湿环境。
石膏砌块主要原料为天然石膏或化工石膏。加入适当的锯末、膨胀珍珠岩、陶粒等轻质多孔填充材料后可以减小其表观密度，降低导热性。掺入防水剂可以提高石膏砌块的耐水性。石膏砌块质量轻，绝热吸气，不燃烧，可锯可钉，生产工艺简单，成本低，多用于作内隔墙。4．墙用板材
墙用板材质量轻，强度高，功能多，便于拆装，平面尺寸大，施工效率高。常用的板材有石膏板材和水泥类墙用板材。石膏板材表面平整，光滑细腻，装饰美观，具有特殊的呼吸功能，原材料丰富，制作简单。水泥类墙用板材耐久性好，强度高，生产技术成熟，产品质26量可靠，工程中常用GRC轻质多孔墙板和纤维增强水泥平板。第四节 钢材
钢材是土木工程中用量最广泛的金属材料，广泛用于铁路、桥梁、建筑工程等领域，如中国国家体育场“鸟巢”就是一个大跨度曲线钢结构。钢材按工程结构类型可以分为钢结构用钢材和钢筋混凝土结构用钢材。钢结构用钢材主要有型钢、钢板和钢管等，钢筋混凝土结构用钢材主要有钢筋和钢丝。
钢材材质均匀，性能可靠，强度高，具有一定韧性和塑性，可以承受冲击和振动荷载，可以切割、焊接、铆接或螺栓连接，便于装配，但是容易锈蚀，维护费用高，耐火性差。1．钢结构用钢材
我国钢结构用钢材主要有普通碳素钢和普通低合金结构钢。碳素钢是铁碳合金，含碳量小于2%，除含碳外一般还含有少量的硅、锰、硫、磷。碳素钢有Q195、Q215、Q235、Q275四个牌号，其中Q表示屈服强度。随着牌号增大，含碳量增加，强度和硬度提高，塑性和韧性降低，冷弯性能变差。Q195和Q215号钢强度低，塑性和韧性好，易于冷加工，可轧制薄板和盘条，制造钢钉、铆钉、螺栓和铁丝等。Q235号钢是在建筑工程中广泛应用，其强度高，塑性和韧性好，易于焊接，综合性能好，成本低廉，可以轧制成各种型钢、钢板和钢筋。Q275号钢强度高，塑性和韧性差，不易焊接和冷弯加工，可以轧制钢筋、螺栓等，但更多是制造机械零件和工具。其中Q215号钢经冷加工后可以代替Q235号钢。图2.4分别为碳素钢轧制成型的钢管、角钢和H型钢。
向普通碳素钢里少量添加硅、锰、钒、钛、铌、铬、镍及稀土等元素，就可以制作成普通低合金结构钢，可以显著改善钢材的强度、耐腐蚀性、耐磨性、低温冲击韧性。在大跨度、动荷载和冲击荷载情况下，普通低合金结构钢优势明显。目前，低合金钢在大跨度桥梁、大型柱网构架、电视塔、大型厅馆等结构中日益成为主体材料。图2.4 钢管、角钢和H型钢2．钢筋混凝土工程用钢材
钢筋混凝土工程用钢材主要指钢筋，按生产工艺和用途可以分为热轧钢筋、冷加工钢筋、热处理钢筋、预应力钢丝、刻痕钢丝和钢绞线。
热轧钢筋是经热轧成型并自然冷却的成品钢筋，主要有热轧光圆钢筋和热轧带肋钢筋两种，如图2.5所示。热轧光圆钢筋有HPB235和HPB300两个牌号，热轧带肋钢筋有HRB335、HRB400、HRB500、HRBF335、HRBF400、HRBF500六个牌号。其中HPB为hot rolled plain steel bar的缩写，HRB为hot rolled ribbed steel bar的缩写，HRBF为hot rolled ribbed steel bar of fine grain的缩写，其后的数字表示其屈服强度。热轧光圆钢筋虽然强度低，但塑性和焊接性能好，便于冷加工，广泛应用在普通钢筋混凝土构件的受力筋和构造筋。带肋钢筋强度高，与混凝土有较大的黏结能力，塑性和焊接性能好，广泛用于大中型钢筋混凝土结构的受力筋。
为了提高强度，节约钢筋，可以按施工规程对钢筋进行冷拉，冷拉后的钢筋强度提高，但塑性和韧性变差。
热轧螺纹钢筋经淬火和回火调质处理后可以制成热处理钢筋，公称直径分别为2mm、6mm、8mm和10mm，屈服点强度大于281325MPa，抗拉强度大于1470MPa，伸长率大于6%，主要用于预应力钢筋混凝土。为增加与混凝土的黏结力，钢筋表面长轧有通长的纵肋和均布的横肋。图2.5 热轧光圆钢筋和热轧带肋钢筋
预应力钢丝由优质碳素结构钢圆盘条经过等温淬火拔制而成，适用于大荷载、大跨度、曲线配筋的预应力钢筋混凝土结构。第五节其他材料1．砂浆
砂浆是由胶凝材料、细集料和水等材料按适当比例配制而成，有时也加入适量掺合料和外加剂。砂浆与混凝土的区别在于不含粗集料，也可以称砂浆为细集料混凝土。胶凝材料是砂浆的重要组成材料，起胶结作用，影响着砂浆的流动性、黏聚性和强度等技术性质，常用的胶凝材料有水泥和石灰等。
按胶凝材料不同，砂浆可以分为水泥砂浆、石灰砂浆、混合砂浆和聚合物砂浆。和易性良好的砂浆容易在粗糙的砖石底面上铺设成均匀的薄层，而且能够和底面紧密黏结。砂浆的强度等级分为M2.5、M5.0、M7.5、M10、M15、M20六个等级，砂浆主要作为砌筑、抹灰、灌缝和粘贴饰面的材料。2．木材
木材是一种天然的非均质的各向异性材料，质量轻，强度高，易于锯、刨、钻，弹性和韧性高，可以承受冲击振动作用，导电和导热性低，木纹美丽，是公园亭榭的良好选材，如图2.6所示。但木材构造不均匀，容易吸水、吸湿产生较大的湿胀干缩变形，容易燃烧腐烂。木材的顺纹强度和横纹强度有很大的差别。图2.6 木质亭榭
工程中木材按加工程度和用途，分为原条、原木、锯材、枕木四类，此外还有各种人造板材。人造板材利用木材或含有纤维的其他植物为原料，采用一般物理化学方法加工制成，为各向同性材料，其板面宽，表面平整光洁，无节子和虫眼，不翘曲，不开裂，经加工处理后具有防火、防水、防腐、防酸等性能。常用的人造板材有胶合板、纤维板、刨花板、木丝板和木屑板等。3．玻璃
玻璃是一种较为透明的固体物质，在熔融时形成连续网络结构，冷却过程中黏度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料，具有采光、防护、吸声、隔热等功能，可用作装饰材料。玻璃主要用于建筑行业，主要有平板玻璃、装饰玻璃、安全玻璃、防辐射玻璃和玻璃砖等种类。4．陶瓷
陶瓷是利用黏土成型和烧结制成的密实材料。根据原料和烧结密实度不同，陶瓷可以分为陶质、炻质和瓷质三种人造石材。陶质材料密实度较差，瓷质材料则较大，炻质材料密实度介于陶质材料和瓷质材料之间。
为改善陶瓷材料表面机械强度、化学稳定性、热稳定性、表面光洁程度和装饰效果，降低表面吸水率，提高表面抗污染能力，可在陶瓷表面覆盖一层玻璃态薄层，称为釉料。常用的陶瓷材料的品种有陶瓷锦砖（马赛克）、陶瓷墙地砖、陶瓷釉面砖和卫生陶瓷等。5．塑料
塑料是以有机高分子化合物为基本材料，加入改性添加剂，在一定温度和压力下塑制而成的材料。塑料的表观密度小，导热性差，化学稳定性良好，电绝缘性优良，消声吸振性能良好，可以用作装饰材料。
在工业与民用建筑中，塑料可以作为模板、管材、板材、门窗、壁纸、地毯、装饰材料、防水保温材料等。在基础工程中，塑料可以作为排水板或隔离层。在其他工程中可以作为管道、容器、黏结材料、防水材料或膜结构等。6．膜结构材料
膜结构材料是以聚酯纤维基布或PVDF、PVF、PTFE等表面涂层，以优质PVC组成稳定结构的建筑纺织品，其可以承受一定的荷载，寿命一般为12～50年。膜结构通过向膜内充气，或利用柔性钢索、刚性支撑结构将面绷紧，形成具有一定刚度的大跨度空间膜索结构体系。膜材料不能受压，不能抗弯，要使膜结构正常工作就必须施加预张力，另外还要形成一个互反曲面。膜的表层光滑，富有弹性，大气中的灰尘和化学微粒极难附着与渗透，经雨水冲刷，膜可迅速恢复其原有的表面清洁与透光性。
目前常用的膜材料有PTFE建筑膜材、玻璃纤维PVC建筑膜材和ETFE建筑膜材三类。如北京国家游泳中心“水立方”，采用双层ETFE充气膜结构，共1437块气枕，通过控制充气量调节遮光度和透光性，有效利用自然光，节省能源，并可以保温隔热，消除回声，如图2.7所示。图2.7 国家游泳中心的膜结构7．吸声隔音材料
材料吸声重点是控制反射声能大小，而材料隔音重点是控制透射声能大小。吸声材料多孔、疏松、透气，声波能进入材料内相互连通的孔隙中，在空气分子摩擦阻滞转变为热能，从而起到吸收声能的效果。常用的吸声材料有水泥石板、石膏砂浆、水泥膨胀珍珠岩板、水泥砂浆、软木板、木丝板、木质纤维板、泡沫玻璃、泡沫塑料、吸声蜂窝板、矿渣棉、玻璃棉、酚醛玻璃纤维板、工业毛毡等。
对隔音材料而言，一般材料面密度越大，隔音效果越好。尤其是单层均质构件，其隔音效果完全取决于面密度大小。常见的隔音材料有砖、混凝土、钢板、毛毡、软木、橡胶等。8．绝热材料
保温和隔热材料总称为绝热材料，一般由轻质、疏松、多孔、纤维状的材料制成，孔隙之间越是互不连通，则绝热效果愈佳。常用的绝热材料有石棉、膨胀珍珠岩、矿渣棉、微孔硅酸钙、泡沫玻璃、泡沫塑料、软木板、木丝板和蜂窝板等。
石棉具有绝热、耐火、耐酸碱、耐热、隔音、抗腐蚀等优点，可以制成石棉水泥板和石棉保温板，是建筑物墙板、天棚和屋面的良好保温隔热材料。
膨胀珍珠岩质量轻，无毒，无臭味，不燃烧，绝热性能好。
泡沫塑料是在树脂中加入发泡剂、催化剂或稳定剂等辅助材料，经加热发泡而成的轻质、保温、隔热、吸声、防振材料。9．装饰材料
装饰材料的效果主要由质感、线条和色彩三个因素构成。虽然装饰材料的基本功能是装饰效果，但也要满足绝热、防火、隔音、保护主体结构等功能，还应该对人体无害，不污染环境。常用的装饰材料有大理石、花岗岩、人造大理石、人造花岗岩、瓷砖、瓷片、玻璃、白水泥、彩色水泥、装饰混凝土、铝合金、外墙涂料、内墙涂料、墙纸、墙布、微薄木贴面装饰板、铜浮雕艺术装饰板、地板、浮雕装饰石膏板、玻璃钢吊顶吸声板、膨胀珍珠岩装饰吸声板等。10．土工合成材料
土工合成材料是一种新型的土木工程材料，是以人工合成聚合物（如塑料、化纤、合成橡胶等）为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部或表面，发挥加强和保护土体的作用。土工合成材料主要分为土工织物、土工膜、土工特种材料和土工复合材料等。
有纺土工织物利用经纬线编制而成，主要用于排水工程。无纺土工织物由细丝或短纤维排列黏合而成，主要用于反滤工程。土工膜是由透水性低的高分子聚合物材料制成的膜状产品，通常将其压黏在土工织物的表面形成复合土工膜，主要用于各种防渗工程。
土工合成材料主要起到排水、滤层、隔离、加筋、保护和防渗的作用。第三章工程结构随着人类社会的进步，土木工程已经演变成大型综合性学科，衍生出许多分支，如建筑工程、铁路工程、道路工程、桥梁工程、特种工程结构、给水排水工程、港口工程、水利工程、城市供热供燃气工程、环境工程等学科。每个工程都有结构设计和施工建设两个部分，同时要综合考虑安全和经济问题。第一节建筑工程
建筑工程是土木工程学科中最有代表性的分支，主要为人类活动提供所需的功能良好和舒适美观的空间。建筑物按使用功能分为民用建筑、工业建筑、农业建筑、特种建筑与智能建筑。典型的建筑工程是房屋工程，是通过房屋、附属设施、线路、管道和设备构成的工程实体。
民用建筑主要分为居住建筑和公共建筑两类。居住建筑主要指住宅、宿舍、公寓等。公共建筑主要有文教建筑、医疗卫生建筑、观演性建筑、体育建筑、展览建筑、旅馆建筑、商业建筑、广播电视建筑、交通建筑、行政办公建筑、金融建筑、饮食建筑、园林建筑和纪念建筑等。图3.1为武昌火车站，外形极具荆风楚韵。图3.1 荆楚风韵的武昌火车站1．房屋的基本构造
一幢建筑一般由基础、墙或柱、楼板层、饰面装修、楼梯、屋顶和门窗七大部分组成。
基础位于建筑物的最下部，承受建筑物的全部荷载，并将这些荷载传递给地基。基础必须有足够的强度，并能抵御地下各种有害因素的侵蚀。常见的基础形式有刚性基础（砖基础、块石基础、毛石基础、素混凝土基础）、钢筋混凝土条形基础、筏板基础、箱型基础、壳体基础、桩基础、沉井基础等，如图3.2所示。
墙或柱是建筑物的承重和围护构件。外墙起承重作用，可以抵御自然界各种因素对室内的侵袭。内墙主要是分隔空间和提供舒适环境的作用。框架或排架结构中，柱起承重作用，墙仅起围护作用。墙体应具有足够的强度、稳定性、保温、隔热、防水、耐久性和经济性。
楼板将整幢房屋沿水平方向分为若干层，是水平方向的承重构件。楼板承受家具、设备、人体荷载和本身重量，并将这些荷载传递给墙或柱，并对墙体其水平支撑作用。因此，楼板应有足够的抗弯强度和刚度，并有隔音、防潮、防水的性能。楼板主要木楼板、砖拱楼板、钢筋混凝土楼板和钢楼板四种类型，工程中最常用的是钢筋混凝土楼板。钢筋混凝土楼板有现浇式、装配式、装配整体式三种形式。
当肋梁楼板两个方向的梁不分主次，高度相等，同位相交，呈井字形时，称为井式楼板，也叫双向板肋梁楼板，如图3.3所示。这种梁板布置图案美观，两个方向的梁相互支撑，创造出较大的空间，常用于公共建筑的门厅或宴会厅建筑，跨度有时超过20m，梁高有时超过2m。如北京政协礼堂和北京西苑饭店接待大厅等均采用了井36式楼板，其跨度达到了30～40m，梁间距一般为3m左右。图3.2 常见的基础形式
地坪是底层房间与地基相接的部分，可以承受底层房间的荷载，地坪应具有耐磨防潮、防水、防尘和保温的性能。
楼层间借助楼梯直接联系，楼梯有板式、梁式、剪刀式及螺旋式四种形式。板式楼梯直接支承在楼层梁和平台梁上，板厚较大，但施工方便。梁式楼梯的板横向支承在两边的梁上，有时候板插入一边墙内，板很薄，利用梁支承在楼层梁和平台梁上。但在某些情况下，如在室外楼梯或公共建筑大厅内，若将楼梯设计成平台梁形式，则必须加柱进行支撑，影响建筑效果，此时可设计成剪刀式楼梯。此外在公共建筑或在立交桥上，可以设置螺旋式楼梯，可将踏步板以螺旋线形浇注在柱内构成，如北京西直门立交桥的上桥楼梯就是采用这种螺旋式楼梯。图3.3 井式楼板
饰面装饰是指内外墙面、楼地面、屋面等装修，如图3.4所示。图3.4 饰面装饰
屋顶是建筑物顶部的围护和承重构件，用以抵抗风、雨、雪、冰雹等侵袭和太阳辐射热的影响，承受风雪荷载及施工检修等屋顶荷载，并将这些荷载传递给墙或柱。屋顶的外形主要有平屋顶和坡屋顶两种形式，如图3.5所示。图3.5 平屋顶和坡屋顶
门和窗属于非承重构件，门主要供人们出入，分隔房间，窗主要起通风、采光、分隔、眺望等作用。对于不同使用功能的建筑物，还有其他特有的构件和配件，如阳台、雨篷、台阶和排烟道等。2．房屋结构类型
按结构体系，房屋结构可以分为承重墙结构、框架结构、框架-剪力墙结构、筒体结构、网架结构、桁架结构、薄壳结构、悬索结构和薄膜结构等。
承重墙结构利用房屋墙体作为竖向承重和抵御水平荷载的结构，墙体同时作为维护和房间分隔构件，在高层建筑中也称为剪力墙结构，如图3.6所示。
框架结构利用梁和柱组成的框架为主体，以承受竖向和水平荷载，如图3.7所示。框架结构平面布置灵活，可以提供较大的建筑空间，也可以形成丰富多变的立面造型。框架结构的刚度主要取决于梁柱的界面尺寸，建筑高度一般不超过60m。图3.6 承重墙结构示意图图3.7 框架结构
框架-剪力墙结构将框架结构和剪力墙结构的优点结合起来，在框架结构中布置一定数量的剪力墙，构成灵活自由的使用空间，满足不同建筑功能的要求，同样又有足够的剪力墙，有相当大的刚度，如图3.8所示。图3.8 框架-剪力墙结构
筒体结构是利用四周墙形成的封闭筒体，和框架一起构成的结构，适合于高层建筑。当单筒结构高度较大时，很难承受较大的水平荷载，因此一般筒式体系为组合体系。按照不同组合方式，筒体结构可以分为框筒体系、筒中筒体系、成束筒结构。图3.9为成束筒结构示意图，右侧为采用成束筒结构的美国西尔斯大厦。
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