从洞穴到摩天大楼，人类是如何一步步改造世界的？
工程原理2020-02-15 16:38
人类自诞生之日起，便开始为生存而拼搏，为创造更好的生活环境而努力。原始社会的人类构木为巢、挖土成穴，为躲避野兽的攻击和大自然的风雨而营造庇护之所。随着人类文明的发展，人们逐渐学会用石、木等天然材料建造房屋、桥梁。到如今，在科学技术与先进制造业的帮助下，人类建造的超高层建筑早已直入云端，跨江跨海大桥也已屡见不鲜。纵观土木工程的历史发展，每一个时代的革新都离不开工程材料、计算理论以及建造技术的伟大进步。
从洞穴到摩天大楼的历史演变一、 古代史（公元前5000年—17世纪中叶）
古代土木工程的时间跨度约为公元前5000年—17世纪中叶。在原始社会早期，人类寻找天然洞穴作为栖身之所，并在与大自然的长期斗争中积累智慧，自我进化，为营造更加舒适安全的住所做着准备。
原始人寻洞而居后来，人们开始采用树枝泥土等搭建自己栖身之所（如：有巢氏），此时建筑的主要功能是遮风挡雨和躲避野兽的攻击。
“有巢氏”筑巢而栖原始人类在与大自然的斗争中逐渐掌握了工具的使用，随着实践经验和智慧的进一步增长，他们开始着手建造更加复杂的住所（如：半坡人遗址），但施工材料仍是天然的树枝、泥土和茅草。
人类步入文明社会后，文字的出现让前人的工程经验得以保存和传承，金属工具的出现也为营造复杂建筑提供了便利条件。此时人们对建筑的需求已不仅仅是遮风避雨，更多的文化、美学和功能性需求被赋予其中。在这一时期，中外涌现出了大批优秀建筑，如我国的应县木塔、万里长城、赵州桥、故宫，古罗马角斗场、希腊的巴特农神庙等等。
应县木塔
长城
赵州桥
故宫
古罗马角斗场
巴特农神庙二、 近代史（17世纪中叶—20世纪中叶）
17世纪中叶到20世纪中叶的300多年间，土木工程迎来了突飞猛进的发展。这一时期，伽利略、牛顿、欧拉等学者建立和发展了建筑力学的理论基础，对于梁、柱等建筑结构构件给出了强度计算的数学表达，法国工程师库伦提出了土压力计算理论。这些力学方法的建立为土木工程的迅猛发展奠定了坚实的理论基础。
英国人阿斯普丁在这一时期发明了波特兰水泥，转炉炼钢法也在这一时期取得成功，从而使钢材实现量产。水泥和钢材的出现又进一步催生出了钢筋混凝土结构。1785年，瓦特发明的蒸汽机推动了第一次工业革命，机器生产开始取代手工劳动，进而引发了深刻的社会变革。工业革命为土木工程带来了更多先进的施工机具，快速发展的经济社会也在不断向土木工程提出新的需求和挑战。高层和大跨建筑、铁路和地铁、大跨桥梁和高速公路均诞生于这一时期，其中具有代表性的建筑包括：美国芝加哥的家庭保险公司大厦（世界上第一栋高层钢框架结构，建于1886年，高55米）、法国巴黎的埃菲尔铁塔（近代高耸结构的代表，建于1889年，高324米）、美国纽约的帝国大厦（全球第一栋上百层的超高层建筑，建于1931年，高381米）。
家庭保险公司大厦
埃菲尔铁塔
帝国大厦建筑结构在为人类服务的同时，也在时刻迎接着大自然的考验。1906年美国旧金山大地震和1923年的日本关东大地震造成多栋房屋被毁、道路桥梁的交通被切断，生命财产损失不计其数。
美国旧金山大地震震害现场
日本关东大地震震害现场风致灾害同样是结构破坏的重要原因。1940年，位于美国华盛顿州的塔科马海峡大桥在刚刚建成4个月后戏剧性地被微风摧毁，这一现象引发了工程领域内专家学者的思考，从而推动了结构风工程学科的发展。
塔科马大桥风致振动（视角1）
塔科马大桥风致振动（视角2）
塔科马大桥风毁地震和风均为动力作用，其作用方式和机理与静力荷载存在很大差别，发生于20世纪上半叶的这些自然灾害在土木工程领域内引发了广泛思考，人们开始研究这些灾害背后的动力作用机理，进而发展出了结构动力学和工程结构防灾减灾技术。
三、 现代史（第二次世界大战后）
第二次世界大战以后，科学技术突飞猛进，土木工程也迎来了新一轮大跨越发展。城镇化的快速推进改变了人类的居住和生活环境，快节奏的都市生活也向交通设施的发展提出了新的要求。人们的住所不再是独立的院落，高层建筑中被分隔的一个个独立空间成为了多数人工作和生活的家园，这时的建筑除了要满足遮风挡雨、安全耐久外，还要同时考虑给水、排水、采暖、通风、电力和燃气供应等等多项需求，建筑结构与各种配套设备成为了不可分割的整体。人类的出行也更加高效，多种立体交通设施被大力兴建，为人们的出行提供便利。
繁华都市
立体交通
快速运转的城市随着城市中楼房高度和密度的不断提升，工程结构的体量越来越大，如果仍继续使用强度低、自重大的传统建筑材料，势必会消耗大量资源，同时建筑自身的重量也会给结构设计带来很大难题。在这种背景下，现代土木工程要求尽可能采用轻质、高强、环保耐久的高性能材料，在结构形式上则考虑充分利用材料特性，多种组合结构、混合结构应运而生，与之配套的结构设计理论也不断丰富和完善。
现代土木工程的施工依靠强大的制造业支持，逐渐向更高层次的工业化发展。预制构件的工厂化制造、标准化施工，超高层建筑的滑升模板技术以及大吨位塔式起重机等多种现代化施工机械为建造大型现代化工程保驾护航。
在这一时期，建筑领域的世界之最被不断刷新。一栋栋高楼不断试探着人类依靠工程力量所能触及的更高天空；一座座桥梁跨越江海，拉近了人与人之间的距离；一条条公路翻山越岭，将偏远山区与繁华都市相连接，为那里的人们带来生活的希望。
世界第一高楼—哈利法塔
港珠澳大桥
京新高速（部分图片来自网络，侵删）
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