土木工程,力学原理的王国

最近网上有一个很火的视频,说的是四川大学副教授魏骁勇在课堂上徒手劈砖来讲授物理力学原理,想必理科生都知道这其中涉及的动量定理和杠杆原理等力学原理.土木工程专业就是一个跟力学原理息息相关的专业.说到土木工程,大家都不会陌生,同学们的课本里就有不少涉及土木工程的课文,比如小学所学的《赵州桥》：“大桥洞顶上的左右两边,还各有两个拱形的小桥洞.平时,河水从大桥洞流过；发大水的时候,河水还可以从四个小桥洞流过.这种设计,在建桥史上是一个创举,既减轻了流水对桥身的冲击力,使桥不容易被大水冲毁,又减轻了桥身的重量,节省了石料.”当时你读这篇文章的时候,有没有想过它运用了哪些力学的知识呢?

一个由力学组成的王国

赵州桥之所以特别,最大的原因在于李春在传统的拱桥工艺上,对赵州桥的拱肩进行了重大改进,也就是课文所说的增加了四个小桥洞.这种大拱加小拱的敞肩拱,除了能增加泄洪能力,减轻桥身的自重外,还符合土木工程的结构力学理论,敞肩拱式结构在外荷作用下,拱主要产生压力,而桥的拱结构支座（也就是拱脚）产生水平推力,在桥两边的支座处的荷载可以传给基础,使构件摆脱了弯曲变形,桥就不会因为上面的荷载而变形导致损坏.说到赵州桥的材料,用密度比较大的砖石去做拱,正好发挥砖石材料受压性能好的特点.而且为了使相邻拱石紧紧贴合在一起,每块拱石的侧面都凿有细密斜纹,以增大摩擦力.这些措施的采用使整个大桥连成一个紧密整体,增强了整个大桥的稳定性和可靠性.就是在结构、材料、理论等力学的完美结合下,才使得赵州桥能屹立一千四百多年不被冲垮、不倒塌,并成为美国土木工程师学会选定的第12个“国际历史土木工程的里程碑”.

各位,从这里可以看出,力学的学习是贯穿于土木工程的学习中的.我在学习土木工程这个专业的过程中,学过的力学有理论力学、材料力学、结构力学、流体力学、土力学、结构动力学、弹性力学等.它们涉及土木工程这个大学科的方方面面.

理论、材料与结构创造出的奇迹

下面我们就来认识土木工程力学的三驾马车吧.

首先说理论力学,这个很简单,就是高中物理力学和运动学知识的延伸.我们现在高中物理书除了电磁学和量子力学的章节不在土木工程学习的理论力学的范畴里,其他的都可以想象成牛顿、拉格朗日、高斯等大家对你的再次鞭策.也就是说,你必须要有高中的力学基础.

材料力学则是伴随着土建材料的发展而形成的.人们在古代早期只能依靠泥土、木料或其他天然材料从事建造活动,像我们熟悉的黄鹤楼、岳阳楼、滕王阁,都是木材料建筑物.到砖和瓦等材料出现后,人工建筑材料开始广泛地被应用于各种建筑中.李冰父子修建的都江堰和一直修到明清时期的中国长城都是其中的佼佼者.19世纪后,钢材开始用于建造桥梁和房屋,最负盛名的埃菲尔铁塔便是一座建于1889年的钢结构建筑,位于法国巴黎战神广场上的镂空结构铁塔,高300米,天线高24米,总高324米.材料的发展使得材料力学发展迅猛,材料力学就是分析材料的几何性质和力学性质,计算出材料的强度,研究其是否能够承受其受到的荷载,以保证建筑的安全性能.

而说到结构力学,最典型的就是我国的木结构建筑.我国的木结构建筑有两大特点,一是木结构大多是榫卯连接,即将木件打造成凹凸结构,再把它们相互扣合,这种结构的建筑很容易按人的空间需求来改建、加建或是迁建,有利于“变”.另一个特点是地上立柱,柱上架梁枋,梁枋上建屋顶.顶部重量就由梁枋到柱,再由柱到地面,墙壁只是起到隔断作用而不承重.由于木结构各个构件之间榫卯连接富有韧性,即便墙倒也能“屋不塌”.这种技术一直流传至今,最有名的榫卯连接建筑要数　2010　年上海世的中国馆了.中国馆的整体造型似斗拱,是典型的榫卯结合构件,由斗与拱组合而成,从柱顶探出的弓形肘木叫拱,拱与拱之间的方形垫木叫斗,两者合称斗拱.作为力传递的相似度检测,斗拱能把屋檐重量均匀地托住,起到了平衡稳定的作用.古时候没有力学理论,工匠们也只能口口相传.后人们通过总结将这些内容整理成一门科学,这就是结构力学.

实践是检验所学的第一标准

此外,土木工程专业的学生还必须熟练掌握基本的办公软件和AUTOCAD等绘图软件,掌握这些软件,是能够看懂和画出施工图、结构图的前提.而作为一门工科专业,土木工程自然也注重实验,只有在实验课上认真处理实验数据,把理论知识和实验知识有机地结合起来,才能将书本上缥渺的知识记录到脑子里.土木工程专业也很注重实践,我们每个学期的学习都会有实习安排,或是到工地施工放线,调经纬仪进行施工测量,将组织施工的顺序弄清楚；或是到设计院学习,熟练掌握CAD绘图软件等,这些实践活动往往是你今后工作的前奏.学习土木工程更需要耐心,特别是在数学和力学的知识上要懂得深究.这些都是你以后从事土木工程工作所必备的素质.

土木工程专业的学生毕业后多从事于工程设计、工程施工、工程管理、工程监理四个方向的工作：

如果你是在设计院从事工程设计,能看懂设计图,并能绘制出设计图就非常关键了,在设计院工作的压力也比较大,但是收入是和劳动量成正比的.如果从事工程施工,工作地点大多是工地,主要是根据建设工程设计要求,对建设工程进行施工.工程管理侧重于工程建筑、施工管理以及房地产经营开发,需要熟悉国家相关的方针政策和法规.工程监理则是对工程建设投资、建设工期、工程质量、工程合同进行管理,协调有关单位之间的工作关系,即“三控、两管、一协调”.一般来说,工程设计人员的月薪在4000-8000元,工程施工人员月薪在3000-7000元,工程监理人员月薪在3000-5000元,工程管理人员月薪在4000-10000元.当然个人收入是因工程规模而异.