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土木匠程结构:艺术与科学的综合体

文章出处:开云app官网下载安卓 人气:发表时间:2023-11-19 00:18
本文摘要:土木匠程是与军事工程并列的最古老的工程学科,因为考古学家发现寺庙的制作已有1.1万年的历史。古代的中东、中国、希腊、罗马,以及亚洲、非洲和美洲的种种文明,给我们留下了由砖石、木料、钢铁、混凝土和预应力混凝土等质料制作的良好的修建结构。 工程学不但是一门艺术第一个正式的土木匠程学院——巴黎理工学院(Ecole Polytechnique),在1794年的法国大革命期间,教授及造就土木匠程方面的专业人才,并于1804年成为拿破仑统治下的军事学院。

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土木匠程是与军事工程并列的最古老的工程学科,因为考古学家发现寺庙的制作已有1.1万年的历史。古代的中东、中国、希腊、罗马,以及亚洲、非洲和美洲的种种文明,给我们留下了由砖石、木料、钢铁、混凝土和预应力混凝土等质料制作的良好的修建结构。

工程学不但是一门艺术第一个正式的土木匠程学院——巴黎理工学院(Ecole Polytechnique),在1794年的法国大革命期间,教授及造就土木匠程方面的专业人才,并于1804年成为拿破仑统治下的军事学院。在美国,伦斯勒学院(Rensselaer Institute)于1835年发表了第一个土木匠程学位。

然而,直到20世纪40年月末,美国的大部门土木匠程师都是通过学徒制完成专业方面的培训。东北部(伊利诺伊州)和中西部(俄亥俄州)地域的主要运河系统、横贯内陆的铁路(相关的桥梁和隧道)、沿主要河流的大坝和防洪系统、重要的公路桥梁和高架桥等,许多20世纪的基础设施,都是由土木匠程师制作和维护的。只管他们没有经由正规的学校培训,只是通过现场学习修建结构的艺术而成为掌握工程制作要领的工程师。

第二次世界大战后,社会开始将工程学视为应用科学而不但是一门艺术,许多其他的工程领域,例如机械、航空航天、电气、盘算机、化学、质料、生物医学和情况工程等纷纷开设课程,吸引了一批又一批最优秀、最智慧的人投身到工程领域中。都会化建设 多学科的综合运用北美的土木匠程教育项目,从最初的不到50个激增到20世纪的250多个。

大多数这些项目都提供课程培训,培训在职人员,因为专业人员通常更专注于修建结构的计划、设计、建设、治理。事实上,在已往的几十年里,土木匠程师制作的桥梁,总跨度近两公里、总高度凌驾820米。此外,我们不得不赞赏和尊重美国州际公路体系的建设,以及欧洲和亚洲的高速铁路网络,这是20世纪的重大成就。然而,在进入新的千禧年之后,土木和情况工程专业的主要教育事情者意识到,结业生未能满足这一行业日益增长的社会期望。

今天,社会期望土木和情况工程师不仅要会设计、制作、运营和治理修建结构,还要明白治理自然情况和可连续性、预防或减轻包罗气候变化在内的多种都会灾害风险、掩护历史地标和基础设施、处置惩罚公共关系和债务,同时还需要关注成本效益,维护和更新都会基础设施和修建情况。在新千年,我们发现土木匠程师需要在都会计划,以及土地使用和运输计划的实施方面越发努力主动。在基础设施全生命周期中的每个阶段举行决议,并需要认识到连续的都会化和治理麋集城区生活的庞大系统,尤其是差别基础设施与所建情况之间的交织、相互作用和相互依赖关系。

大多数土木匠程师对经济和金融学、政治和社会科学,以及联邦、州、地方公共政策是如何影响全球互联的都会社会的宜居性、可连续性和可恢复性,都没有充实的相识。我们现在清楚地认识到,不能用疏散的课程方法来解决社会关注的问题。然而不幸的是,这是大多数美国工程与技术认证委员会提供的教育泉源。

只有在少数精英研究型大学提供的课程中,以工程案例和详细项目作为土木匠程教育的基础。因此,保持土木匠程师的专业相关性所面临的最重要的挑战,可能是将土木匠程教育和专业实践从分而治之的方式,转变为一种整体的、综合的方法。

除非未来的土木匠程师掌握基础设施相互依存的系统性质,包罗与其交织在一起的自然、社会和工程要素,否则就不行能在人口麋集的都会地域维持、更新和可连续地运营这些基础设施。除非土木匠程师对基础设施中的每一个元素和系统之间的庞大关系有足够的洞察力,否则我们无法期望一个康健互联的、充满经济活力的、理想宜居且具有可连续性和恢复力的都会社会。然而,具有这种洞察力的土木匠程师能够而且应该为基于量化指标和数据的基础设施政策,生命周期性能技术的接纳和资产治理做出孝敬。

每一位具有前瞻性思维的市长或向导人都应该聘请一位及格的土木匠程师,作为治理都会修建情况和基础设施的照料。提高基础设施的恢复能力第二次世界大战后,土木匠程项目和专业人员数量的激增,使得土木匠程成为新千年的盛行趋势。贝聿铭(Pei)、格里(Gehry)、卡拉特拉瓦(Calatrava)、福斯特(Foster)、皮亚诺(Piano)、里伯斯金(Libeskind)、哈迪德(Hadid)、约翰逊(Johnson)等修建大师,以及他们的工程互助同伴都正在脱离我们。

特别是在20世纪80年月以后,信息技术和软件取代了却构分析、设计盘算和工程制图。大多数土木匠程教育课程开始教授规范和软件操作,而不是视察和学习少数几位大师如何设计和构建他们良好的修建作品。毫无疑问,盘算机、结构分析与设计软件,给少数的修建师和工程师带来了显著的优势。

然而,当盘算机与软件操作为培训导向的课程相联合,再加上美国工程与技术认证委员会(ABET)和美领土木匠程师协会(ASCE)的宣传推广,广义上的土木匠程专业已经脱离了现实结构的构建。例如制作历程实际上是如何实现的,其中的每一个施工阶段又是如何分工运转的,如果气候和土壤发生变化,又会如何影响其性能和耐久性。虽然有履历的设计大师可以解释其中的问题,可是最近几代被教授用软件举行工程实践的人开始相信软件的输出。

2002年,在威尔逊(美国加州大学伯克利分校名誉教授)写的书的第一页上,重申了通过学徒制,视察并向修建大师们学习的重要性。今天,我们许多的修建结构以及构建的系统,虽然是通过规范设计的,但这些系统在实用性和功效性、耐用性、可维护性、宁静性,特别是可恢复性方面并没有获得很好的体现。富勒(Fuller)最近的一篇文章(2019年6月14日揭晓于《纽约时报》讨论了1960年至1994年间,制作的40座高层修建对旧金山造成的地震风险。

因为谁人时代的规范,在近期地震发生后视察到的钢结构框架焊接毗连方面存在缺陷。桥梁的缺陷甚至更大,不仅是地震灾害事件引起的,而是众所周知的,日常使用造成的功效缺陷。因为美国的桥梁故障讲明,修建物的失效概率为10∶4,而不是预期的10∶6。因此,土木匠程专业课程以及所有主要的土木匠程咨询照料,都必须开始举行结构振动丈量,以提取动力特性、应变和位移来举行载荷漫衍,通过挠度来体现实际结构和基础设施的弹性。

用于传感、成像和激光雷达扫描的工具现在已经很是成熟了。土木匠程专业必须接纳丈量作为基于性能设计和施工交付的手段。这种丈量方法可以将已建系统的实际性能与规范中要求的、设计中预测的性能相协调,从而将土木匠程师从技术人员转变为科学家。

此外,通过新建结构的定量文件(开工证明)能够监控或追踪,在偶然发生的异常加载事件后,评估刚度和变形的变化情况。随着预制构件的泛起,以及构件拼装技术的广泛使用,现在是评估结构监测系统的时候了。科学严谨 设计思维上的挑战土木匠程师举行设计、制作、营运、生存及治理修建情况已有2000年的历史。直到20世纪中叶,通过学徒制并在职业生涯中不停发展的土木匠程师最终都取得了乐成。

20世纪50年月以后,工程教育酿成了以科学和理论为基础的教育,项目数量激增,但教育效果堪忧。进入21世纪,面临庞大的都会化建设系统,土木匠程师必须拓宽他们的教育和职业门路,以便能够深入明白庞大的系统,并引领及整合许多其他学科的产物,以满足都会宜居性、可连续性和可恢复性的要求。土木匠程师应该学会如何与团队举行相同、组织及向导,包罗各地的政府官员、都会计划者、修建师、工程师、科学家、经济学家等;土木匠程师必须在设计宜居性、可连续性和可恢复性的都会区域和社区方面具有卓越的设计思维。

都会化建设,在提供经济活力的同时,也带来了许多与宜居性、可连续性和可恢复性有关的挑战,包罗:思量到可连续性和社会公正的,基于项目生命周期与部门资产治理的基础设施系统应用;对已建情况举行状态可靠性评估和智能更新;识别和减轻自然、人为的危害风险和不确定性;设计制定有效的应急预案;不停创新观点和技术工具,例如无线成像和传感网络、IT、物联网、机械人、数据分析、设计质料等。以桥梁设计中的动力学为例,现在许多振动和荷载试验没有事先举行适当的分析预测,没有对荷载和桥梁关键部位响应举行实时监控,也没有聚集足够数量的传感器来提供一个严密的三维丈量网格。如果研究人员希望对桥梁监测的任何投资都能获得回报,还能由此提炼出通用的规范,就必须接纳科学的实地丈量研究方法。例如在举行桥梁监测时,如果桥梁能够在振动发生的前几阶模态中变形获得恢复,应该足以对桥梁的有限元模型举行结构识别。

而且,载荷试验历程中的位移丈量,对于显示损伤的位置和影响,以及识别高分辨率数字孪生尤其有用。强迫激励试验、恒久监测以及广域、多模态无损检测,均为桥梁结构振动的研究提供了有益的增补。

资料泉源 / EVACES 2019集会陈诉本文刊载 /《桥梁》杂志 2019年 第5期 总第91期作者 / Emin Aktan作者单元 / 美国德雷塞尔大学。


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