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 разбивается на несколько поддисциплин. Она считается второй старейшей инженерной дисциплиной после военной инженерии [3] и призвана отличать невоенную инженерию от военной инженерии. [4] Гражданское строительство может осуществляться в государственном секторе — от муниципальных отделов общественных работ до федеральных правительственных учреждений, а также в частном секторе — от местных фирм до глобальных компаний из списка Fortune 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 дисциплин, его история связана со знаниями в области конструкций, 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 , дошедшие до роли мастеров-строителей . Знания сохранялись в гильдиях и редко заменялись достижениями. Существовавшие структуры, дороги и инфраструктура повторялись, а масштабы увеличивались постепенно. [7]
Одним из самых ранних примеров научного подхода к физико-математическим проблемам, применимым к гражданскому строительству, является работа Архимеда в 3 веке до нашей эры, включая принцип Архимеда , который лежит в основе нашего понимания плавучести , и практические решения, такие как винт Архимеда . Брахмагупта , индийский математик, в VII веке нашей эры использовал арифметику, основанную на индийско-арабских цифрах, для вычислений объема раскопок. [8]
Инженерное дело было аспектом жизни с самого начала человеческого существования. 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 существования, создавая потребность в строительстве убежища. В это время транспорт становился все более важным, что привело к развитию колеса и парусного спорта .
До настоящего времени не было четкого различия между гражданским строительством и архитектурой, а термины «инженер» и «архитектор» представляли собой в основном географические вариации, относящиеся к одной и той же профессии, и часто использовались как синонимы. [9] Строительство пирамид в Египте ( ок. 2700–2500 гг. до н. э.) было одним из первых примеров строительства крупных структур. Другие древние исторические гражданские инженерные сооружения включают систему управления водными ресурсами Канат в современном Иране (самая старая из них старше 3000 лет и длиннее 71 километра (44 миль), [ 10] ), Парфенон Иктиноса в Древней Греции (447–438 гг.). э.), Аппиева дорога римских инженеров ( ок. 312 г. до н. э. ), Великая Китайская стена генерала Мэн Тяня по приказу циньского императора Ши Хуан-ди ( ок. 220 г. до н. э. ) [11] и ступы, построенные в древней Шри-Ланке, например, Джетаванарамайя и обширные ирригационные сооружения в Анурадхапуре . Римляне разработали гражданские структуры по всей своей империи, в том числе акведуки , острова , гавани, мосты, плотины и дороги.
В 18 веке термин «гражданское строительство» был придуман для обозначения всего гражданского, а не военного строительства. [4] В 1747 году во Франции было создано первое учебное заведение по преподаванию гражданского строительства — Национальная школа мостов и дорог ; и другие примеры последовали в других европейских странах, таких как Испания. [12] Первым самопровозглашенным инженером-строителем был Джон Смитон , который построил маяк Эддистоун . [3] [11] В 1771 году Смитон и некоторые из его коллег сформировали Смитонианское общество инженеров-строителей, группу лидеров профессии, которые неофициально встречались за ужином. Хотя были свидетельства проведения некоторых технических встреч, это было не более чем социальное общество.
В 1818 году в Лондоне был основан Институт инженеров-строителей [13] , а в 1820 году его первым президентом стал выдающийся инженер Томас Телфорд . В 1828 году учреждение получило Королевскую хартию , официально признавшую гражданское строительство профессией. Его устав определял гражданское строительство как:
искусство использования великих источников энергии в природе для использования и удобства человека в качестве средства производства и движения в государствах, как для внешней, так и для внутренней торговли, применяемое при строительстве дорог, мостов, акведуков, каналов , речное судоходство и доки для внутреннего сообщения и обмена, а также строительство портов, гаваней, молов, волноломов и маяков, а также искусство судоходства с помощью искусственной силы для целей торговли, а также строительство и применение машин, и в осушении городов и поселков. [14]
Первым частным колледжем, где преподавали гражданское строительство в США, 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, присуждаемая женщине, была вручена Корнелльским университетом Норе Стэнтон Блатч в 1905 году. [18]
В Великобритании в начале 19 века разделение между гражданским и военным строительством (обслуживаемым Королевской военной академией в Вулидже ) в сочетании с требованиями промышленной революции породило новые инициативы в области инженерного образования: класс гражданского строительства и горного дела. был основан в Королевском колледже Лондона в 1838 году, главным образом в ответ на рост железнодорожной системы и потребность в более квалифицированных инженерах, в 1839 году был основан частный колледж инженеров-строителей в Путни , а также была открыта первая в Великобритании кафедра инженерного дела. в Университете Глазго в 1840 году.
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 инженерных наук . Учебная программа обычно включает занятия по физике, математике, управлению проектами , дизайну и конкретным темам гражданского строительства. После прохождения базовых курсов по большинству субдисциплин гражданского строительства они переходят к специализации в одной или нескольких субдисциплинах на продвинутом уровне. В то время как степень бакалавра (BEng/BSc) обычно дает успешным студентам аккредитованную в отрасли квалификацию, некоторые академические учреждения предлагают степени последипломного образования (MEng/MSc), которые позволяют студентам дополнительно специализироваться в своей конкретной области интересов. [19]
В большинстве стран степень бакалавра инженерных наук представляет собой первый шаг на пути к профессиональной сертификации , и профессиональная организация сертифицирует программу получения степени. После завершения сертифицированной программы на получение степени инженер должен удовлетворить ряд требований, включая опыт работы и экзаменационные требования, прежде чем получить сертификацию. После сертификации инженер получает статус профессионального инженера (в США, Канаде и Южной Африке), дипломированного инженера (в большинстве стран Содружества ), дипломированного профессионального инженера (в Австралии и Новой Зеландии ) или европейского инженера (в Австралии и Новой Зеландии ). в большинстве стран Евросоюза ) . Между соответствующими профессиональными организациями заключены международные соглашения, позволяющие инженерам практиковать за пределами национальных границ.
Преимущества сертификации различаются в зависимости от местоположения. Например, в США и Канаде «только лицензированный профессиональный инженер может готовить, подписывать и опечатывать, а также представлять инженерные планы и чертежи в государственный орган на утверждение или опечатывать инженерные работы для государственных и частных клиентов». [20] Это требование обеспечивается законодательством провинции, например, Законом об инженерах Квебека . [21] Никакое подобное законодательство не было принято в других странах, включая Великобританию. В Австралии государственное лицензирование инженеров ограничено штатом Квинсленд . Почти все сертифицирующие органы имеют 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 удалась, он может быть привлечен к ответственности по закону о халатности , а в крайних случаях — к уголовной ответственности. [23] Работа инженера также должна соответствовать многочисленным другим правилам и положениям, таким как строительные нормы и правила и экологическое право .
В широкой области гражданского строительства существует ряд субдисциплин. Инженеры-строители общего профиля тесно сотрудничают с геодезистами и инженерами-строителями-специалистами при проектировании планировки, дренажа, дорожного покрытия , водоснабжения, канализации, плотин, электроснабжения и связи. Общее гражданское строительство также называют проектированием объекта, отраслью гражданского строительства, которая в первую очередь фокусируется на преобразовании участка земли из одного использования в другое. Инженеры-строители проводят время, посещая объекты проекта, встречаясь с заинтересованными сторонами и готовя планы строительства. Инженеры-строители применяют принципы геотехнической инженерии, структурной инженерии, экологической инженерии, транспортной инженерии и строительной техники к проектам жилых, коммерческих, промышленных и общественных работ всех размеров и уровней строительства.
Береговая инженерия занимается управлением прибрежными территориями. В некоторых юрисдикциях термины «морская защита» и «защита побережья» означают защиту от наводнений и эрозии соответственно. Береговая оборона — более традиционный термин, но управление прибрежными зонами также стало популярным.
Строительное проектирование включает в себя планирование и реализацию, транспортировку материалов, разработку объекта на основе гидравлического, экологического, структурного и геотехнического проектирования. Поскольку строительные фирмы, как правило, имеют более высокий бизнес-риск, чем другие типы строительных компаний, инженеры-строители часто занимаются более деловыми операциями, например, составлением и проверкой контрактов, оценкой логистических операций и мониторингом цен на материалы.
Сейсмическая инженерия включает в себя проектирование конструкций, способных противостоять опасным землетрясениям. Сейсмостойкое проектирование - это раздел строительной инженерии. Основными задачами сейсмической инженерии являются [24] понимание взаимодействия сооружений на зыбкой почве; предвидеть последствия возможных землетрясений; а также проектировать, строить и обслуживать конструкции, способные работать при землетрясении, в соответствии со строительными нормами и правилами .
Экологическая инженерия — это современный термин, обозначающий санитарную инженерию , хотя санитарная инженерия традиционно не включала в себя большую часть работ по управлению опасными отходами и восстановлению окружающей среды, охватываемых экологической инженерией. Другими используемыми терминами являются инженерия общественного здравоохранения и инженерия гигиены окружающей среды.
Экологическая инженерия занимается переработкой химических, биологических или термических отходов, очисткой воды и воздуха, а также восстановлением загрязненных территорий после удаления отходов или случайного загрязнения. Среди тем, охватываемых экологической инженерией, - транспорт загрязнителей, очистка воды , очистка сточных вод , загрязнение воздуха, переработка твердых отходов , переработка и управление опасными отходами . Инженеры-экологи управляют сокращением загрязнения, экологическим проектированием и промышленной экологией . Инженеры-экологи также собирают информацию об экологических последствиях предлагаемых действий.
Судебно-медицинская экспертиза — это исследование материалов, изделий , конструкций или компонентов, которые выходят из строя или не работают или функционируют должным образом, вызывая телесные повреждения или ущерб имуществу. Последствия неисправности регулируются законом об ответственности за качество продукции. Эта область также занимается отслеживанием процессов и процедур, приводящих к авариям при эксплуатации транспортных средств или механизмов. Этот предмет чаще всего применяется в делах гражданского права, хотя он может быть полезен и в делах уголовного права. Как правило, цель судебно-технического расследования состоит в том, чтобы определить причину или причины неисправности с целью улучшения производительности или срока службы компонента или помочь суду в определении фактов несчастного случая. Это также может включать расследование претензий в области интеллектуальной собственности, особенно патентов .
Геотехническая инженерия изучает горные породы и грунты, поддерживающие системы гражданского строительства. Знания в 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]
Идентификация свойств почвы представляет собой проблему для инженеров-геотехников. Граничные условия часто четко определены в других отраслях гражданского строительства, но в отличие от стали или бетона, свойства материала и поведение грунта трудно предсказать из-за его изменчивости и ограничений для исследования . Кроме того, почва демонстрирует нелинейную ( зависимую от напряжения ) прочность , жесткость и дилатансию (изменение объема, связанное с приложением напряжения сдвига ), что еще больше затрудняет изучение механики грунта . [25] Инженеры-геотехники часто работают с профессиональными геологами , инженерами-геологами и почвоведами. [27]
Материаловедение тесно связано с гражданским строительством. Он 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.
Материаловедение включает в себя защиту и профилактику (краски и отделка). Легирование объединяет два типа металлов для получения другого металла с желаемыми свойствами. Он включает в себя элементы прикладной физики и химии . В связи с недавним вниманием средств массовой информации к нанонауке и нанотехнологиям , инженерия материалов оказалась в авангарде академических исследований. Это также важная часть судебно-медицинской экспертизы и анализа отказов .
Развитие участка , также известное как планирование участка , сосредоточено на планировании и потенциале развития участка, а также на устранении возможных последствий проблем с разрешениями и экологических проблем . [28]
Структурное проектирование занимается структурным проектированием и структурным анализом зданий, мостов, башен , эстакад (пустакад), туннелей, морских сооружений, таких как месторождения нефти и газа в море, авиационных конструкций и других сооружений. 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, которая будет успешно выдерживать и противостоять этим нагрузкам. Нагрузками могут быть собственный вес конструкций, другая собственная нагрузка, постоянные нагрузки, движущаяся (колесная) нагрузка, ветровая нагрузка, сейсмическая нагрузка, нагрузка от изменения температуры и т. д. Инженер-строитель должен проектировать конструкции так, чтобы они были безопасными для пользователей и успешно работали. выполнять функцию, для которой они предназначены (быть исправными ). Из-за характера некоторых условий нагрузки в рамках структурного проектирования возникли субдисциплины, в том числе ветровая и сейсмическая инженерия. [29]
При проектировании учитываются прочность, жесткость и устойчивость конструкции при воздействии нагрузок, которые могут быть статическими, например, от мебели или собственного веса, или динамическими, например, ветровыми, сейсмическими, нагрузками от толпы или транспортных средств, или временными, например временными. строительные нагрузки или удары. Другие соображения включают стоимость, технологичность, безопасность, эстетику и устойчивость .
Геодезическая съемка — это процесс, с помощью которого геодезист измеряет определенные размеры, которые встречаются на поверхности Земли или вблизи нее. Геодезическое оборудование, такое как нивелиры и теодолиты, используется для точного измерения угловых отклонений, горизонтальных, вертикальных и наклонных расстояний. С компьютеризацией электронные измерения расстояний (EDM), тахеометры, GPS-съемки и лазерное сканирование в значительной степени вытеснили традиционные инструменты. Данные, собранные в ходе геодезических измерений, преобразуются в графическое представление поверхности Земли в виде карты. Эта информация затем используется инженерами-строителями, подрядчиками и риэлторами для проектирования, строительства и торговли соответственно. Элементы конструкции должны иметь размеры и располагаться относительно друг друга, а также границ участка и соседних сооружений.
Хотя геодезия — это отдельная профессия с отдельной квалификацией 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 определяют расположение другой инфраструктуры, такой как гавани , перед началом строительства.
В Соединенных Штатах, Канаде, Великобритании и большинстве стран Содружества землемер считается отдельной профессией. Землемеры не считаются инженерами и имеют свои собственные профессиональные ассоциации и требования к лицензированию. Услуги лицензированного землемера обычно требуются для съемки границ (для установления границ участка с использованием его юридического описания) и планов разделения (участка или карты, основанной на съемке земельного участка, с границами, проведенными внутри более крупный участок для обозначения создания новых границ и дорог), оба из которых обычно называются кадастровой съемкой .
Строительные изыскания обычно выполняются специализированными техническими специалистами. В отличие от землемеров, полученный план не имеет юридического статуса. Строительные геодезисты выполняют следующие задачи:
Транспортная инженерия занимается эффективным, безопасным и безопасным перемещением людей и товаров таким образом, чтобы это способствовало развитию динамично развивающегося общества. Это включает в себя определение, проектирование, строительство и обслуживание транспортной инфраструктуры, которая включает улицы, каналы, автомагистрали, железнодорожные системы , аэропорты, порты и общественный транспорт . Он включает в себя такие области, как проектирование транспорта, планирование транспорта , проектирование дорожного движения , некоторые аспекты городского строительства , теория массового обслуживания , проектирование дорожных покрытий , интеллектуальная транспортная система (ИТС) и управление инфраструктурой.
Муниципальное строительство занимается муниципальной инфраструктурой. Сюда входит определение, проектирование, строительство и содержание улиц, тротуаров , сетей водоснабжения , канализации, уличного освещения , утилизация и вывоз твердых бытовых отходов , складов для хранения различных сыпучих материалов, используемых для ремонта и общественных работ (соль, песок и т. д.). , общественные парки и велосипедная инфраструктура . В случае подземных инженерных сетей к ним может относиться также гражданская часть (каналы и проходные камеры) местных распределительных сетей электроснабжения и телекоммуникаций. Это также может включать оптимизацию сетей сбора мусора и автобусного сообщения . 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 власти. Муниципальные инженеры также могут проектировать строительные работы на участке для крупных зданий, промышленных предприятий или кампусов (например, подъездные дороги, парковки, системы питьевого водоснабжения, очистка или предварительная очистка сточных вод, дренаж территории и т. д.).
Инженерия водных ресурсов занимается сбором и управлением водой (как природным ресурсом ). Таким образом, как дисциплина она сочетает в себе элементы гидрологии, науки об окружающей среде, метеорологии , охраны природы 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 участки земли, чтобы предсказать количество и содержание воды, когда она течет в объект, через него или из него. Хотя фактическое проектирование объекта может быть оставлено на усмотрение других инженеров.
Гидротехника занимается потоком и транспортировкой жидкостей, главным образом воды. Эта область гражданского строительства тесно связана с проектированием трубопроводов , сетей водоснабжения , дренажных сооружений (в том числе мостов, плотин, каналов , водопропускных труб , дамб , ливневой канализации ) и каналов. Инженеры-гидравлики проектируют эти объекты, используя, среди прочего, концепции давления жидкости , статики жидкости , динамики жидкости и гидравлики.
Системы гражданского строительства — это дисциплина, которая способствует использованию системного мышления для управления сложностью и изменениями в гражданском строительстве в его более широком общественном контексте. В нем утверждается, что правильное развитие гражданской инженерной инфраструктуры требует целостного и последовательного понимания взаимосвязей между всеми важными факторами, которые способствуют успешным проектам, и в то же время подчеркивает важность внимания к техническим деталям. Его цель — помочь интегрировать весь жизненный цикл проекта гражданского строительства от замысла, планирования, проектирования, изготовления, эксплуатации до вывода из эксплуатации. [30] [31]
