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此外，他们设计与维护海港，运河与水闸，建造大型水利大坝与小型坝，以及各种类型围堰，帮助设计海上结构并且确定结构位置对航行影响。
岩土工程学。
专业于这个领域土木工程师对支撑结构并影响结构行为土壤与岩石特性进行分析。
他们计算建筑与其他结构由于自重压力可能引起沉降，并采取措施使之减少到最小。
他们也需计算并确定如何加强斜坡与填充物稳定性以及如何保护结构免受地震与地下水影响。
环境工程学。
在这一工程学分支中，土木工程师设计，建造并监视系统以提供安全饮用水，同时预防与控制地表与地下水资源供给污染。
他们也设计，建造并监视工程以控制甚至消除对土地与空气污染。
他们建造供水与废水处理厂，设计空气净化器与其他设备以最小化甚至消除由工业加工、焚化及其他产烟生产活动引起空气污染。
他们也采用建造特殊倾倒地点或使用有毒有害物中与剂措施来控制有毒有害废弃物。
此外，工程师还对垃圾掩埋进行设计与管理以预防其对周围环境造成污染。
交通工程学。
从事这一专业领域土木工程师建造可以确保人与货物安全高效运行设施。
他们专门研究各种类型运输设施设计与维护，如公路与街道，公共交通系统，铁路与飞机场，港口与海港。
交通工程师应用技术知识及考虑经济，政治与社会因素来设计每一个项目。
他们工作与城市规划者十分相似，因为交通运输系统质量直接关系到社区质量。
渠道工程学。
在土木工程学这一支链中，土木工程师建造渠道与运送从煤泥浆（混合煤与水）与半流体废污，到水、石油与多种类型高度可燃与不可燃气体中分离出来液体，气体与固体相关设备。
工程师决定渠道设计，项目所处地区必须考虑到经济性与环境因素，以及所使用材料类型——钢、混凝土、塑料、或多种材料复合——安装技术，测试渠道强度方法，与控制所运送流体材料保持适当压力与流速。
当流体中携带危险材料时，安全性因素也需要被考虑。
建筑工程学。
土木工程师在这个领域中从开始到结束监督项目建筑。
他们，有时被称为项目工程师，应用技术与管理技能，包括建筑工艺，规划，组织，财务，与操作项目建设知识。
事实上，他们协调工程中每个人活动：
测量员，布置与建造临时道路与斜坡，开挖基础，支模板与浇注混凝土工人，以及钢筋工人。
这些工程师也向结构业主提供进度计划报告。
社区与城市规划。
从事土木工程这一方面工程师可能规划与发展一个城市中社区，或整个城市。
此规划中所包括远远不仅仅为工程因素，土地开发使用与自然资源环境，社会与经济因素也是主要成分。
这些土木工程师对公共建设工程规划与私人建筑发展进行协调。
他们评估所需设施，包括街道，公路，公共运输系统，机场，港口，给排水与污水处理系统，公共建筑，公园，与娱乐及其他设施以保证社会，经济与环境地协调发展。
摄影测量，测量学与地图绘制。
在这一专业领域土木工程师精确测量地球表面以获得可靠信息来定位与设计工程项目。
这一方面包括高工艺学方法，如卫星成相，航拍，与计算机成相。
来自人造卫星无线电信号，通过激光与音波柱扫描被转换为地图，为隧道钻孔，建造高速公路与大坝，绘制洪水控制与灌溉方案，定位可能影响建筑项目地下岩石构成，以及许多其他建筑用途提供更精准测量。
其他专门项目。
还有两个并不完全在土木工程范围里面但对训练相当重要附加专门项目是工程管理与工程教学。
工程管理。
许多土木工程师都选择最终通向管理职业。
其他则能让他们事业从管理位置开始。
土木工程管理者结合技术上知识与一种组织能力来协调劳动力，材料，机械与钱。
这些工程师可能工作在政府——市政、国家、州或联邦；
在美国陆军军团作为军队或平民管理工程师；
或在半自治地区，城市主管当局或相似组织。
他们也可能管理规模为从几个到百个雇员私营工程公司。
工程教学。
通常选择教学事业土木工程师教授研究生与本科生技术上专门项目。
许多从事教学土木工程师参与会导致建筑材料与施工方法技术革新基础研究。
多数也担任工程项目或技术领域顾问，与主要项目代理。
第三课建筑物组成
材料与不同结构形式联合组成建筑物各种不同部分，包括承重框架，外壳，楼板与隔墙。
建筑物也有像升降机，供暖与冷却，照明这样与机械与电力有关系统。
上部结构是建筑物地面以上部分，而下部结构与基础则是建筑物地面以下部分。
摩天大楼出现得益于19世纪两大发展：
钢骨架结构与旅客升降机。
钢，作为一种建筑材料，源于1885年贝色麦转炉引入。
GustaveEiffel（1832-1932）将钢结构引入法国。
1889年巴黎展览会塔与他为Galeriedes机械设计表现了钢结构灵活性。
艾菲尔铁塔高984英尺（300米），是人类建造最高结构，直到40年后才被美国一系列摩天大楼超越。
第一个升降机是在1857年被ElishaOtis安装于纽约一幢百货公司。
在1889年，Eiffel在艾菲尔铁塔上安装了第一个大尺寸升降机，它水力升降机能在一个小时内运送2350个旅客到达顶点。
承重框架。
直到19世纪晚期，建筑物外墙被用作支承楼板承重墙。
这种结构本质上一种梁柱模型，并且仍然被用于房屋框架结构。
承重墙结构由于需要巨大墙厚而限制了建筑物高度。
例如，芝加哥建于19世纪80年代16层Monadnock大厦，较下层楼板下墙厚达5英尺（）。
在1883年，WilliamLeBaronJenney（1832-1907）采用铸铁柱支撑楼板方式以形成笼状结构。
由钢梁与钢柱组成骨架构造最早用于1889年。
由于骨架构造，围墙变成一个“幕墙”，胜于起支撑作用。
砖石一直被用作幕墙材料，直到20世纪30年代，轻金属与玻璃幕墙开始被使用。
在钢结构引入后，建筑物高度持续快速地增加。
在二次世界大战前，所有高层建筑都是采用钢结构。
战后，钢材短缺与混凝土质量改良导致钢筋混凝土高层建筑出现。
芝加哥Marina塔（1962）是美国最高混凝土建筑。
它高度达588英尺（179米），被伦敦高达650英尺（198米）邮政大厦与其他塔式建筑所超越。
关于摩天大楼构造观点转变恢复了承重墙使用。
在纽约城由EeroSaarinen于1962年设计哥伦比亚广播系统大楼，有一个由5英尺（）宽，相邻柱中心距为10英尺（3米）混凝土柱组成环形墙。
这个环形墙实际上有效地组成了一个承重墙。
产生这种趋向一个理由是，采用建筑物墙壁作为一个筒体，可以非常经济地获得起到抗风作用足够硬度。
世界贸易大厦是这种筒体方法另一个例证。
相反地，刚性框架或垂直桁架通常被用于提供侧向稳定性。
外壳。
建筑物外壳由透明元素（窗）与不透明元素（墙）所组成。
尽管塑料正在被使用，窗传统上还是使用玻璃，特别是在学校，破损产生了一个维护问题。
用于覆盖结构并由结构支撑墙元素由多种材料建造：
砖，预制构件，混凝土，石，不透明玻璃，塑料，钢与铝。
木主要被用于房屋建筑，由于有火灾危险，它通常不用于商业，工业与公用建筑。
楼板。
建筑物中楼板构造依赖于所使用基本结构框架。
在钢结构中，楼板或是搁置在钢梁上混凝土板，或是表面附有混凝土波状钢组成凹板。
在混凝土结构中，楼板或是搁置在混凝土梁上混凝土板，或是一系列顶端有一个薄板双向都近距离排列混凝土梁，在其下部提供了一个多余空间。
这种类型板使用依赖于支撑柱或墙间跨度与空间功能。
例如，在公寓中，当墙与柱间距在12英尺到18英尺（到），最常用结构是无梁实心混凝土板。
这种板下部可以用作其下层空间天花板。
办公大楼中常使用波纹钢楼板，这是因为波纹钢楼板波纹当由另一块金属板盖上时，可以形成线与电线通道。
机械与电力系统。
一个现代建筑不仅包括它所需要空间（办公室，教室，公寓），还包括帮助提供舒适环境机械与电力系统辅助空间。
在摩天办公大楼中，这些辅助空间可能构成总建筑面积25%。
在办公大楼中，供暖，通风，电力与卫生管道系统重要性表达在工程预算40%被分配给它们。
因为使用带有不能开窗密封性建筑屋增加，精细机械系统被用于通风与空调。
渠道与管道携带来自中央风扇室与空气调节机新鲜空气。
悬吊在上部楼板结构下面天花板，隐藏着管道系统，还包含照明设备。
用于动力与通讯电力配线，也被安置在天花板空间内，或被埋置在楼板结构中管道内。
已经有种种尝试将机械与电力系统通过坦白地表达它们以合并到建筑物建筑学中。
举例来说，在爱荷华州首府得梅因美国共与保险公司大楼（1965），管道与楼板结构以一种有组织与优雅形式暴露在外，用吊顶进行分配。
这种方法使得减少建筑物花费成为可能，并且可以允许改革，例如在结构跨度方面。
地基与基础。
所有建筑物都支撑在地面上，因此，土体性质成为任何建筑设计中极端重要考虑因素。
基础设计依赖于许多土体要素，如土类型，土壤层理，土层厚度与它压缩性，以及地下水状态。
土壤很少有一个单一成分。
它们通常是不同厚度土层混合物。
为了评估，土壤被按照颗粒大小分为不同等级，它们从淤泥到粘土到砂到砂砾到岩石依次增加。
大体上，较大颗粒土负载能力将会强于较小一些。
最硬岩石可以高达每平方英尺100吨（每平方米976.5公吨）负载，但是最软淤泥所能承受负载只有每平方英尺0.25吨（每平方米2.44公吨）。
所有表面以下土都处在受压状态中，说得更精确一些，这些土承受与作用在其上土柱重量相等压力。
许多土（除了大多数砂与砾石以外）显示出弹性性质——在荷载作用下受压变形，当荷载解除后可以回弹。
土壤弹性常常依赖于时间，也就是说，土变形可能发生在荷载作用后从数分钟到数年时间长度上。
超过一个时段，如果建筑物作用在土体上负载高于土天然压实重量，它可能产生沉降。
相反地，如果建筑物作用在土体上负载小于土体天然压实重量，它可能隆起。
土也可能在建筑物自重作用下产生流动，就是说，它很容易被压挤出。
由于压实与流动效应，建筑物趋向于沉降。
例如比萨与博洛尼亚斜塔，不均匀沉降能产生破坏效果——建筑物可能倾斜，外墙与隔墙可能产生裂缝，窗户与门可能够变得不起作用，并且极端情况是建筑物可能倒塌。
尽管在某些极端条件下，像墨西哥城情况，能产生严重后果，但是不均匀沉降并不是那么严重。
过去100年以来，那里地下水水位变化已经使一些建筑物沉降超过10英尺（3米）。
由于这种运动能发生在施工工程中与其后，仔细分析在建筑物下土行为显得非常重要。
土巨大可变性导致基础问题多样解决方法。
在地表附近存在坚硬土时，最简单解决方法是把柱放置在一个小混凝土板上（扩展基底）。
土较软地方，有必要将柱荷载传递到一个较大面积上，在这种情况下，则在整个建筑物底下采用连续混凝土板（筏或席）。
地表附近土体不能承载建筑物重量时，木制，钢制或混凝土制桩被打入以加固土体。
建筑物施工工程自然是从基础到上部结构。
但是，设计工程则是从屋顶到基础（沿重力方向）。
过去，基础不依照系统调查。
科学设计基础方法已经在20世纪内得到发展。
美国KarlTerzaghi先锋研究，利用土力学与探测及测试程序技术，使精确预报基础行为成为可能。
过去基础破坏，像经典例子——比萨斜塔，已经变得几乎不存在。
然而，基础仍然是许多建筑物一个隐而昂贵
第七课桥梁
桥梁是跨越如河流、山谷这样障碍一种建筑，从而提供交通便利，到目前为止，大部分桥梁都是公路桥或铁路桥。
大量高架桥于19世纪在欧洲建成，目是保持其运河中船舶航行。
最小一座桥在纽约市肯尼迪机场，它主要是把滑行飞机拖到跑道上服务。
人类建成第一座桥类似于原始人在孤立地带建成。
早期人类工具与建筑技术如同原始人类一样都是最初级。
他们只要经过最少加工与安装即可建成。
在森林里，随处可得结实木材与圆木，那时侯桥极可能是由一根或并排几根圆木建成，可能在其上覆一些木枝或草垫以方便行走。
处于热带地区印度、非洲、与南美洲纤维藤被用来建成悬索桥，这些藤被系在小河或山谷两边树上或岩石上。
一根或更多藤被踩在上面行走，其它则排列在膏腴几英尺地方，用作手扶用。
虽然藤索桥通常不稳定。
但有很多用incas建成藤索桥有足够坚固与稳定性，被用于西班牙士兵与它们马匹通行。
在岩石地区，石头被用来建桥，横跨河流以很小间距布置石碓作为桥墩，然后用平坦石头横过相邻桥墩就建成连接两岸通道，大部分石桥就是这种类型，叫做鼓掌桥。
现在在Dartmoor、英格兰仍然可见，不过它们都建于中世纪甚至更晚。
原始桥梁第一步变革被认为出现在中国古代，随后传入印度。
河床一般比树要宽，中国人与印度人在河流中央建成两个树桩。
在这个结构两端，用圆木一端架在树桩上并微微向上倾斜，使其每一层都比它下面高几英尺。
为了增加稳定性，每个木桩在两岸都用一堆大而重石头锚固；
接近河中央，在河中间两个木桩两端则用简支梁连接。
在这种结构中，天然支架桥在两个自由杆中间加桩后可达到很宽跨度。
早在公元前４０００年Ｍesopotamia与在公元千３０００年埃及，用石头或日光烤干砖被用来安装重叠横梁。
这种结构看起来像拱，下部更平稳，被叫做突拱。
要使突拱变为更直拱，它需要石头内部构造适合光滑。
这种直拱比突拱更坚固，且早在公元前５００年就被使用。
这种直石拱具有经济与经久耐用，它可以由许多静止在码头上拱而跨过小河流。
并且，它一般会经常出现，而它质量比先前任何结构都要好。
在中国与罗马古代，这种整体石拱被广泛地用于桥梁结构。
它一直被广泛地使用直到19世纪。
这里有4类基本结构可以用作水面上或障碍物上桥：
刚架桥、悬臂桥、拱桥、与悬索桥体系。
刚架桥最简单也可能是最早使用-即刚架桥河流。
这样它两端固定在相对河岸。
这种刚架桥可以组成某种形状木梁、钢筋混凝土梁或更复杂约束。
刚架桥这种类型桥跨度可以采用在中间建桥墩或在峡谷建搁栅撑，再用几根横梁连接起来而增加跨度。
刚架桥材料必须能够承担压力与拉力。
尽管它名字叫曲梁，但实际上这种具有双重要求杆能用于刚架桥上。
结果，梁弯曲较高部分压力比直部分低一半以上，如果他受压承载力太弱，它将会成扣环，如果受拉承载力太弱，他将会破坏。
悬臂桥在利用中间桥墩长跨距桥中它通常是不可行桥梁结构。
举个例子，在深而流速急河流或软泥中，可能很难建桥墩使它有足够深度达到基岩层。
在这种情况下，刚架桥结构用两根横梁就可以延伸―――从每岸伸出一根梁，而在两根梁端部基础进行锚固。
这种简单刚架桥结构更具有静定性，而每一根锚固梁这种基础结构就叫悬臂桥，或许这种最简单而熟悉悬臂桥例子便是跳水板。
在普通悬臂式桥梁中，悬臂梁端部之间间隙是闭合，为道路提供了连续桥面。
但是假如把这种桥梁在其闭合点断开，那么每一根悬臂梁都不需要另外设置支撑而可保持稳定。
通常悬臂梁中间间隙是闭合既是刚架桥。
如此却使悬臂粮延伸了跨度。
悬索桥在没有中间桥墩情况下比悬臂桥跨越更大距离。
悬索桥支撑体系是靠连续可弯曲缆绳两端锚固，悬索桥最简单例子是杂技场高空走钢丝杂技演员用钢丝。
原始悬索桥常常是一把很小几根这样钢丝系在一起来提供扶手与立足点。
在水平公路上现代悬索桥则是由缆绳悬吊在车行道两边下面。
拱桥则是相反于悬索桥作用，在那些悬索桥缆绳自由提供支撑力地方，拱桥却是从它两端支柱固定向上弯曲。
由于在形状上不同，悬索桥缆绳各点都趋向拉伸而拱桥支柱各处都趋于挤压。
由于这些原因，悬索桥缆绳必须尽可能防止延伸，饿拱桥材料则尽可能地抵抗压缩。
因为拱结构不一定要求材料具有抗拉强度，所以拱桥可以用砖或石头建造，砖或石头通过拱传递压力特性结合在一起。
这种材料在其它基本桥梁结构中却毫无用处。
在拱桥中，荷载由公路上垂直传递下来，直到拱形遭到破坏。
当拱遭到纯压而达到临界荷载时，便会改变力传递路径。
有压缩力推力通过节点或墩传到地面。
拱这种简单而优美结构成为桥梁中一种基本结构。
八课：
桥设计与构造
规划现代重要桥梁建造第一步是广泛地研究确定桥梁必要性。
比如：
如果是高速公路桥，在美国则是由州桥管理局研究规划并确定，在程序上会同当地政府或联邦政府一起，对主要公路桥梁进行评估研究。
如在接近高速公路网上减少交通堵塞，对当地经济影响与桥造价。
这就决定了工程投资方式，如公众收费，发行债券或支付过桥费都被考虑进来。
如果研究认为其可行信，那么桥选址与占地问题将着手处理。
在这一点上，现场测绘工作开始进行，做好精确实地测量；
潮汐，洪水因素，水流与水路上其他特征都要仔细研究，在陆地与水下泥土与岩石钻孔取样都尽可能地在基础处进行。
桥梁设计选择决定把桥建成梁，悬臂，桁架，拱，悬索或其他类型结构主要因素是：
（1）地点，如跨越河流；
（2）目，如建桥为了方便交通；
（3）跨度；
（4）可用材料；
（5）花费；
（6）美观与与谐性。
在一定范围跨度内，每种结构都有最大作用与经济。
如下表所示：
桥类型
最佳跨度
英尺
米
梁桥
20到1000
到
刚架桥
80到300
拱桥
200到1000
桁架桥
200到1400
悬臂桥
500到1800
悬索桥
1000到5000
上表表明了许多类型适用性有相当多重叠。
在一些实例中，在不同初步设计中，用来比较不同类型桥结构是为了在最后有最好选择。
材料选择桥梁设计者能选用大量现代高强材料，包括混泥土，钢筋，与多种耐腐蚀合金。
拿Varian-Narrows大桥来说，设计者使用了七种不同合金钢，其中之一合金屈服强度为50000英镑每平方英寸（3115kg/c㎡）,而且不需要油漆保护，因为有一种氧化膜覆盖在它表面而防止腐蚀。
设计者还选用钢丝绳作为缆绳，它抗拉强度超过250000英镑每平方英寸（17577kg/c㎡）
抗压强度高达8000英镑每平方英尺（/c㎡）混泥土现在被生产用作桥梁工程，而且它在增加特殊化学物质后具有很高抗脆裂性能与抗风化性能，这种混泥土被用作预应力砼，而且其加强了钢丝绳抗拉强度，其强度达到250000英镑每平方英寸（17577kg/c㎡）
桥梁其它使用材料还铝合金与木材：
现在铝合金屈服强度超过了40000每平方英寸（2818kg/c㎡）。
把木材碾成细长薄片，然后用胶水粘在一起而做成梁是自然木材强度二倍。
例如用南部松树而胶结梁能承受工作应力达到了3000英镑每英寸（
kg/c㎡）。
应力分析一座桥要抵抗一系列合力，如拉力，压力，剪力与扭力。
另外，结构还需要一定安全储备一保不足。
对结构进行精确计算各种单独压力与拉力，这就叫应力分析。
这或许是桥梁建设中最复杂技术。
应力分析目是为了确定作用在结构上里数量。
作用在桥梁结构应力都可以分为二类荷载：
动荷载与静荷载。
静荷载——即桥结构本身不变重量——它往往也是最大荷载。
动荷载或静荷载有很多，包括桥面上机动车，风荷载，与积冰积雪荷载。
虽然随时在桥面上移动机动车总重量相当于静荷载与动荷载来说是一个很少部分，而对设计者来说，因为机动车辆产生振动与冲击压力而会出现特殊问题。
例如：
在路面上机动车不规则运动或碰撞对桥面产生短暂而影响加倍活荷载而导致严重影响。
风在桥上施加里即直接敲打桥结构又间接敲打在桥面上通行车辆。
如果出现空气弹性振动，在这种情况下TacomaNarrows大桥风作用被大大地增大，由于这种危险存在，桥设计者在桥址必须知道所能发生最大风。
还有其它力作用在桥上，如：
地震产生压力也必须注意。
对桥墩设计通要给予特殊关注，因为桥墩承担水流，浮冰与漂浮物而产生重荷，桥墩通常还有被船撞击可能。
电脑在应力分析上协助桥梁设计者，并扮演一个很重要角色。
用一个精确模型试验，尤其对桥动力活动状态研究也可以帮助设计者。
一个小比例桥模结构中，对桥模各处应力，加速度与变形都可以进行精确测量。
桥模这时可以承受同样比例荷载与动力条件来分析桥变化。
风洞试验也可以确保不再发生TacomaNarrows大桥失败。
在现代技术帮助下，桥梁事故出现机会将大大少于以前。
建筑基础建筑物都是从基础开始，基础花费几乎大大超过上层建筑。
水下基础通常会遇到很大困难，有个古老方法常被用于浅水中，即在小范围内垂直围堰而建桥墩。
罗马人常用这种方法。
在深水中建基础一般用沉箱法。
沉箱是一个底部开口其余封闭大盒子而沉入河床上，工人们在为挡水而充满压缩空气沉箱里，越挖越深，沉箱也跟着下沉。
当达到合适深度后在箱内填入混泥土而成为基础。
在深水中建基础另一种方法比沉箱法更安全与更低成本，用于钢或混泥土桥墩。
在现代打桩工具下把重桩打入深水中，桩可以在水面或水下截断或做成桩帽。
如在水下把它们做成桩帽，可把一根预制空心桩浮运到做成承台桩那一点，然后从空心桩套内灌入混泥土。
建设上层建筑当所有桩与支柱建好后，则上部结构开始建筑。
结构建设方法有很多种类，共有六类建造方法：
脚手架，浮运，悬臂，滑移，直升与悬挂法。
在用脚手架建造时，主要用来建混泥土拱桥。
金属或木支撑都是临时搭设为竖直支撑。
脚手架都是根据需要而灵活搭建。
尤其结构在激流回深谷上时，临时桥墩与站桥一般使用在宽而浅河上。
浮运法主要用来建很长桥梁。
主桥部分是在河岸预制，然后用驳船浮移到桥梁位置。
用浮吊起重机或卷扬机把该部分精确吊到大桥建设部位。
悬臂技术不仅用于悬臂桥中，也用于刚拱桥上，先建成一个桥台，然后一步步延伸到中央，起重机与吊车可以完成着仪沉重物在结构上操作。
滑移法建筑很少用到。
这种方法，如一个预制构件或一个组合结构在竖立支柱上，滑过临时或永久性支撑，直到它进入安装另一个支撑。
直升法主要用于轻质小跨度公路桥。
每一个预制桥单元被垂直悬起并旋转到桥梁支撑点上。
在由悬挂法建
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