Гражданское строительство — это профессиональная инженерная дисциплина, которая занимается проектированием , строительством и обслуживанием физической и естественной среды , включая общественные работы , такие как дороги, мосты, каналы, плотины, аэропорты, канализационные системы , трубопроводы, структурные элементы зданий и железные дороги. [1] [2]
Гражданское строительство традиционно делится на ряд поддисциплин. Оно считается второй старейшей инженерной дисциплиной после военной инженерии , [3] и определяется как разделение невоенной инженерии от военной инженерии. [4] Гражданское строительство может осуществляться в государственном секторе от муниципальных департаментов общественных работ до федеральных правительственных агентств, а также в частном секторе от местных фирм до компаний из списка Fortune Global 500. [5]
Гражданское строительство — это применение физических и научных принципов для решения проблем общества, и его история неразрывно связана с достижениями в понимании физики и математики на протяжении всей истории. Поскольку гражданское строительство — это широкая профессия, включающая несколько специализированных субдисциплин, его история связана со знанием структур, материаловедения, географии, геологии , почв , гидрологии , экологии , механики , управления проектами и других областей. [6]
На протяжении всей древней и средневековой истории большая часть архитектурного проектирования и строительства выполнялась ремесленниками , такими как каменщики и плотники , которые поднимались до роли мастеров-строителей . Знания сохранялись в гильдиях и редко вытеснялись достижениями. Существовавшие сооружения, дороги и инфраструктура были повторяющимися, а увеличение масштаба было постепенным. [7]
Одним из самых ранних примеров научного подхода к физическим и математическим проблемам, применимым к гражданскому строительству, является работа Архимеда в 3 веке до н. э., включая принцип Архимеда , который лежит в основе нашего понимания плавучести , и практические решения, такие как винт Архимеда . Брахмагупта , индийский математик, использовал арифметику в 7 веке н. э., основанную на индо-арабских цифрах, для вычислений объема выемки грунта. [8]
Инженерное дело было аспектом жизни с самого начала существования человека. Самая ранняя практика гражданского строительства, возможно, началась между 4000 и 2000 годами до нашей эры в Древнем Египте , цивилизации долины Инда и Месопотамии (древний Ирак), когда люди начали отказываться от кочевого образа жизни, что создало необходимость в строительстве жилья. В это время транспорт стал приобретать все большее значение, что привело к развитию колеса и парусного спорта .
До недавнего времени не существовало четкого различия между гражданским строительством и архитектурой, а термины «инженер» и «архитектор» были в основном географическими вариациями, относящимися к одной и той же профессии, и часто использовались взаимозаменяемо. [9] Строительство пирамид в Египте ( ок. 2700–2500 гг. до н. э.) представляет собой некоторые из первых примеров крупномасштабных сооружений в истории. Другие древние исторические сооружения гражданского строительства включают систему управления водными ресурсами Канат в современном Иране (самая старая из них старше 3000 лет и длиннее 71 километра (44 мили) [10] ), Парфенон Иктиноса в Древней Греции (447–438 гг. до н. э.), Аппиева дорога римских инженеров ( ок. 312 г. до н. э. ), Великая Китайская стена генерала Мэн Тяня по приказу императора Цинь Шихуан-ди ( ок. 220 г. до н. э. ) [11] и ступы, построенные в древней Шри-Ланке, такие как Джетаванарамая , и обширные ирригационные работы в Анурадхапуре . Римляне развивали гражданские сооружения по всей территории своей империи, включая акведуки , инсулы , гавани, мосты, плотины и дороги.
В XVIII веке термин «гражданское строительство» был придуман для того, чтобы включить в себя все гражданское, в отличие от военного строительства. [4] В 1747 году во Франции было основано первое учебное заведение для обучения гражданскому строительству, Национальная школа мостов и дорог ; за ней последовали и другие примеры в других европейских странах, таких как Испания. [12] Первым самопровозглашенным гражданским инженером был Джон Смитон , который построил маяк Эддистоун . [3] [11] В 1771 году Смитон и некоторые из его коллег основали Смитоновское общество гражданских инженеров, группу лидеров профессии, которые встречались неформально за ужином. Хотя были свидетельства некоторых технических встреч, это было не более чем социальное общество.
В 1818 году в Лондоне был основан Институт гражданских инженеров, [13] а в 1820 году выдающийся инженер Томас Телфорд стал его первым президентом. В 1828 году учреждение получило Королевскую хартию , официально признав гражданское строительство как профессию. В его уставе гражданское строительство определялось как:
искусство управления великими источниками энергии в природе для использования и удобства человека, как средствами производства и движения в государствах, как для внешней, так и для внутренней торговли, применяемое при строительстве дорог, мостов, акведуков, каналов, речного судоходства и доков для внутреннего общения и обмена, а также при строительстве портов, гаваней, молов, волнорезов и маяков, а также в искусстве навигации с помощью искусственной энергии для целей торговли, а также при строительстве и применении машин и при осушении городов и поселков. [14]
Первым частным колледжем, преподающим гражданское строительство в Соединенных Штатах, был Норвичский университет , основанный в 1819 году капитаном Олденом Партриджем. [15] Первая степень в области гражданского строительства в Соединенных Штатах была присуждена Политехническим институтом Ренсселера в 1835 году. [16] [17] Первая такая степень, присужденная женщине, была присуждена Корнеллским университетом Норе Стэнтон Блэтч в 1905 году. [18]
В Великобритании в начале XIX века разделение на гражданское строительство и военную инженерию (которую преподавала Королевская военная академия в Вулидже ) в сочетании с требованиями промышленной революции породило новые инициативы в области инженерного образования: в 1838 году в Королевском колледже Лондона был основан класс гражданского строительства и горного дела , главным образом в ответ на рост железнодорожной системы и потребность в более квалифицированных инженерах, в 1839 году был основан частный колледж гражданских инженеров в Патни , а в 1840 году в Университете Глазго была создана первая в Великобритании кафедра инженерии .
Инженеры-строители обычно имеют ученую степень в области гражданского строительства. Продолжительность обучения составляет от трех до пяти лет, а полученная степень обозначается как бакалавр технологий или бакалавр инженерии . Учебная программа обычно включает занятия по физике, математике, управлению проектами , проектированию и конкретным темам в области гражданского строительства. После прохождения базовых курсов по большинству поддисциплин гражданского строительства они переходят к специализации по одной или нескольким поддисциплинам на продвинутом уровне. В то время как степень бакалавра (BEng/BSc) обычно обеспечивает успешным студентам аккредитованную в отрасли квалификацию, некоторые учебные заведения предлагают последипломные степени (MEng/MSc), которые позволяют студентам дополнительно специализироваться в их конкретной области интересов. [19]
В большинстве стран степень бакалавра в области инженерии представляет собой первый шаг к профессиональной сертификации , а профессиональный орган сертифицирует программу получения степени. После завершения сертифицированной программы получения степени инженер должен соответствовать ряду требований, включая опыт работы и требования к экзаменам, прежде чем получить сертификат. После получения сертификата инженер назначается профессиональным инженером (в Соединенных Штатах, Канаде и Южной Африке), дипломированным инженером (в большинстве стран Содружества ), дипломированным профессиональным инженером (в Австралии и Новой Зеландии ) или европейским инженером (в большинстве стран Европейского Союза ). Существуют международные соглашения между соответствующими профессиональными органами, позволяющие инженерам осуществлять практику за пределами национальных границ.
Преимущества сертификации различаются в зависимости от местоположения. Например, в Соединенных Штатах и Канаде «только лицензированный профессиональный инженер может подготовить, подписать и скрепить печатью и представить инженерные планы и чертежи в государственный орган для утверждения или скрепить печатью инженерные работы для государственных и частных клиентов». [20] Это требование обеспечивается провинциальным законодательством, таким как Закон об инженерах в Квебеке . [21] Подобное законодательство не было принято в других странах, включая Соединенное Королевство. В Австралии государственное лицензирование инженеров ограничено штатом Квинсленд . Почти все сертифицирующие органы поддерживают кодекс этики , который должны соблюдать все члены. [22]
Инженеры должны соблюдать договорное право в своих договорных отношениях с другими сторонами. В случаях, когда работа инженера не выполняется, он может быть привлечен к ответственности по закону о деликте или халатности , а в крайних случаях — к уголовной ответственности. [23] Работа инженера также должна соответствовать многочисленным другим правилам и положениям, таким как строительные нормы и экологическое право .
В широкой области гражданского строительства существует ряд субдисциплин. Общие инженеры-строители тесно сотрудничают с геодезистами и специализированными гражданскими инженерами для проектирования профилирования, дренажа, дорожного покрытия , водоснабжения, канализации, плотин, электроснабжения и коммуникаций. Общее гражданское строительство также называют инженерией участка, разделом гражданского строительства, который в первую очередь фокусируется на преобразовании участка земли из одного использования в другое. Инженеры-строители проводят время, посещая проектные площадки, встречаясь с заинтересованными сторонами и готовя планы строительства. Гражданские инженеры применяют принципы геотехнической инженерии, структурной инженерии, экологической инженерии, транспортной инженерии и строительной инженерии к проектам жилых, коммерческих, промышленных и общественных работ всех размеров и уровней строительства.
Береговая инженерия занимается управлением прибрежными территориями. В некоторых юрисдикциях термины «морская оборона» и «береговая защита» означают защиту от наводнений и эрозии соответственно. Береговая оборона — более традиционный термин, но управление прибрежными территориями также стало популярным.
Строительная инженерия включает в себя планирование и выполнение, транспортировку материалов и разработку участка на основе гидравлической, экологической, структурной и геотехнической инженерии. Поскольку строительные фирмы, как правило, имеют более высокий деловой риск, чем другие типы компаний гражданского строительства, инженеры-строители часто занимаются более деловыми операциями, такими как составление и рассмотрение контрактов, оценка логистических операций и мониторинг цен на поставку.
Сейсмостойкость включает проектирование конструкций, выдерживающих опасные сейсмические воздействия. Сейсмостойкость является подразделом структурной инженерии. Основными целями сейсмостойкой инженерии являются [24] понимание взаимодействия конструкций на шатком грунте; предвидение последствий возможных землетрясений; а также проектирование, строительство и обслуживание конструкций для работы при землетрясении в соответствии со строительными нормами .
Экологическая инженерия — это современный термин для санитарной инженерии , хотя традиционно санитарная инженерия не включала в себя большую часть работы по управлению опасными отходами и восстановлению окружающей среды, охватываемой экологической инженерией. Инженерия общественного здравоохранения и инженерия охраны окружающей среды — это другие используемые термины.
Экологическая инженерия занимается обработкой химических, биологических или термических отходов, очисткой воды и воздуха, а также восстановлением загрязненных участков после утилизации отходов или случайного загрязнения. Среди тем, охватываемых экологической инженерией, — транспортировка загрязняющих веществ, очистка воды , очистка сточных вод , загрязнение воздуха, обработка твердых отходов , переработка и управление опасными отходами . Инженеры-экологи руководят сокращением загрязнения, зеленой инженерией и промышленной экологией . Инженеры-экологи также собирают информацию об экологических последствиях предлагаемых действий.
Судебная инженерия — это исследование материалов, продуктов , конструкций или компонентов, которые выходят из строя или не работают или не функционируют так, как предполагалось, что приводит к травмам или повреждению имущества. Последствия отказа рассматриваются в соответствии с законом об ответственности за качество продукции. Эта область также занимается отслеживанием процессов и процедур, приводящих к авариям при эксплуатации транспортных средств или машин. Предмет применяется чаще всего в гражданских делах, хотя может быть полезен и в уголовных делах. Как правило, целью судебной инженерной экспертизы является обнаружение причины или причин отказа с целью улучшения производительности или срока службы компонента или оказания помощи суду в определении фактов аварии. Оно также может включать расследование претензий на интеллектуальную собственность, особенно патентов .
Геотехническая инженерия изучает горные породы и грунты, поддерживающие системы гражданского строительства. Знания из области почвоведения , материаловедения, механики и гидравлики применяются для безопасного и экономичного проектирования фундаментов , подпорных стенок и других конструкций. Экологические усилия по защите грунтовых вод и безопасному содержанию свалок породили новую область исследований, называемую геоэкологической инженерией. [25] [26]
Определение свойств грунта представляет собой проблему для инженеров-геотехников. Граничные условия часто хорошо определены в других отраслях гражданского строительства, но в отличие от стали или бетона, материальные свойства и поведение грунта трудно предсказать из-за его изменчивости и ограничений в исследовании . Кроме того, грунт проявляет нелинейную ( зависящую от напряжения ) прочность , жесткость и дилатансию (изменение объема, связанное с приложением напряжения сдвига ), что делает изучение механики грунта еще более сложным. [25] Инженеры-геотехники часто работают с профессиональными геологами , специалистами по геологическому проектированию и почвоведами. [27]
Материаловедение тесно связано с гражданским строительством. Оно изучает фундаментальные характеристики материалов и занимается керамикой, такой как бетон и асфальтобетонная смесь, прочными металлами, такими как алюминий и сталь, а также термореактивными полимерами, включая полиметилметакрилат (ПММА) и углеродные волокна.
Инженерия материалов включает в себя защиту и профилактику (краски и отделочные покрытия). Сплавление объединяет два типа металлов для получения другого металла с желаемыми свойствами. Оно включает в себя элементы прикладной физики и химии . С недавним вниманием СМИ к нанонауке и нанотехнологиям , инженерия материалов оказалась на переднем крае академических исследований. Это также важная часть судебной инженерии и анализа отказов .
Развитие участка , также известное как планирование участка , сосредоточено на планировании и потенциале развития участка, а также на решении возможных последствий, связанных с вопросами разрешений и экологическими проблемами . [28]
Строительная инженерия занимается проектированием конструкций и анализом конструкций зданий, мостов, башен , эстакад (путепроводов), туннелей, морских сооружений, таких как нефтяные и газовые месторождения в море, аэроструктуры и другие сооружения. Это включает в себя определение нагрузок, которые действуют на конструкцию, а также сил и напряжений, которые возникают внутри этой конструкции из-за этих нагрузок, а затем проектирование конструкции для успешной поддержки и сопротивления этим нагрузкам. Нагрузками могут быть собственный вес конструкций, другая статическая нагрузка, временные нагрузки, подвижная (колесная) нагрузка, ветровая нагрузка, сейсмическая нагрузка, нагрузка от изменения температуры и т. д. Инженер-строитель должен проектировать конструкции так, чтобы они были безопасными для своих пользователей и успешно выполняли функцию, для которой они предназначены (быть пригодными к эксплуатации ). Из-за характера некоторых условий нагрузки в строительной инженерии появились субдисциплины, включая ветровую инженерию и сейсмическую инженерию. [29]
Проектные соображения будут включать прочность, жесткость и устойчивость конструкции при воздействии нагрузок, которые могут быть статическими, например, мебель или собственный вес, или динамическими, например, ветер, сейсмика, толпа или транспортные нагрузки, или временными, например, временные строительные нагрузки или удары. Другие соображения включают стоимость, конструктивность, безопасность, эстетику и устойчивость .
Геодезия — это процесс, при котором геодезист измеряет определенные размеры, которые встречаются на поверхности Земли или вблизи нее. Геодезическое оборудование, такое как уровни и теодолиты, используется для точного измерения углового отклонения, горизонтальных, вертикальных и наклонных расстояний. С компьютеризацией электронные дальномеры (EDM), тахеометры, GPS-съемка и лазерное сканирование в значительной степени вытеснили традиционные инструменты. Данные, собранные при геодезических измерениях, преобразуются в графическое представление поверхности Земли в виде карты. Затем эта информация используется инженерами-строителями, подрядчиками и риэлторами для проектирования, строительства и торговли соответственно. Элементы конструкции должны быть измерены и расположены по отношению друг к другу, а также к границам участка и смежным конструкциям.
Хотя геодезия является отдельной профессией с отдельными квалификациями и лицензионными соглашениями, инженеры-строители обучаются основам геодезии и картографии, а также географическим информационным системам . Геодезисты также прокладывают маршруты железных дорог, трамвайных путей , автомагистралей, дорог, трубопроводов и улиц, а также размещают другие объекты инфраструктуры, такие как гавани , перед строительством.
В Соединенных Штатах, Канаде, Великобритании и большинстве стран Содружества землеустройство считается отдельной и обособленной профессией. Землемеры не считаются инженерами и имеют свои собственные профессиональные ассоциации и требования к лицензированию. Услуги лицензированного землемера обычно требуются для межевых съемок (для установления границ участка с использованием его юридического описания) и планов подразделения (участок или карта, основанные на съемке участка земли, с линиями границ, проведенными внутри большего участка для обозначения создания новых линий границ и дорог), оба из которых обычно называются кадастровой съемкой .
Строительная съемка обычно выполняется специализированными специалистами. В отличие от геодезистов, полученный план не имеет юридического статуса. Строительные геодезисты выполняют следующие задачи:
Транспортная инженерия занимается перемещением людей и товаров эффективно, безопасно и таким образом, чтобы это способствовало развитию динамичного сообщества. Это включает в себя спецификацию, проектирование, строительство и поддержание транспортной инфраструктуры, которая включает улицы, каналы, автомагистрали, железнодорожные системы , аэропорты, порты и общественный транспорт . Она включает в себя такие области, как проектирование транспорта, планирование транспорта , транспортная инженерия , некоторые аспекты городской инженерии , теория очередей , проектирование дорожного покрытия , интеллектуальная транспортная система (ИТС) и управление инфраструктурой.
Муниципальное строительство занимается муниципальной инфраструктурой. Это включает в себя спецификацию, проектирование, строительство и обслуживание улиц, тротуаров , сетей водоснабжения , канализации, уличного освещения , управление твердыми бытовыми отходами и их утилизацию, склады для различных сыпучих материалов, используемых для обслуживания и общественных работ (соль, песок и т. д.), общественные парки и велосипедную инфраструктуру . В случае подземных коммунальных сетей это может также включать гражданскую часть (трубопроводы и камеры доступа) местных распределительных сетей электрических и телекоммуникационных услуг. Это может также включать оптимизацию сетей сбора отходов и автобусного обслуживания . Некоторые из этих дисциплин пересекаются с другими специальностями гражданского строительства, однако муниципальное строительство фокусируется на координации этих инфраструктурных сетей и услуг, поскольку они часто строятся одновременно и управляются одним и тем же муниципальным органом. Муниципальные инженеры могут также проектировать строительные работы на месте для крупных зданий, промышленных предприятий или кампусов (т. е. подъездные пути, парковки, питьевое водоснабжение, очистка или предварительная очистка сточных вод, дренаж участка и т. д.)
Инженерия водных ресурсов занимается сбором и управлением водой (как природным ресурсом ). Поэтому как дисциплина она сочетает в себе элементы гидрологии, науки об окружающей среде, метеорологии , сохранения и управления ресурсами . Эта область гражданского строительства связана с прогнозированием и управлением как качеством, так и количеством воды как в подземных ( водоносные горизонты ), так и в надземных (озера, реки и ручьи) ресурсах. Инженеры по водным ресурсам анализируют и моделируют очень маленькие и очень большие площади земли, чтобы предсказать количество и содержание воды, когда она втекает, проходит или вытекает из объекта. Однако фактическое проектирование объекта может быть оставлено другим инженерам.
Гидротехника занимается потоком и транспортировкой жидкостей, в основном воды. Эта область гражданского строительства тесно связана с проектированием трубопроводов , сетей водоснабжения , дренажных сооружений (включая мосты, плотины, каналы , водопропускные трубы , дамбы , ливневые коллекторы ) и каналы. Инженеры-гидравлики проектируют эти сооружения, используя концепции давления жидкости , статики жидкости , динамики жидкости и гидравлики, среди прочих.
Системы гражданского строительства — это дисциплина, которая продвигает использование системного мышления для управления сложностью и изменениями в гражданском строительстве в более широком общественном контексте. Она утверждает, что надлежащее развитие инфраструктуры гражданского строительства требует целостного , последовательного понимания взаимосвязей между всеми важнейшими факторами, которые способствуют успеху проектов, в то же время подчеркивая важность внимания к техническим деталям. Ее цель — помочь интегрировать весь жизненный цикл проекта гражданского строительства от концепции, через планирование, проектирование, изготовление, эксплуатацию до вывода из эксплуатации. [30] [31]
