土木工学

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中国、上海のマルチレベルスタックインターチェンジ、建物、住宅、公園

土木工学は、道路、橋、運河、ダム、空港、下水道、パイプライン、建物の構造部品などの公共事業を含む、物理的および自然に構築された環境の設計、建設、および保守を扱う専門的な工学分野です。と鉄道。[1] [2]

土木工学は伝統的にいくつかのサブ分野に分けられます。これは、軍事工学に次いで2番目に古い工学分野と見なされており[3]、非軍事工学と軍事工学を区別するために定義されています。[4]土木工学は、地方自治体の公共事業部門から連邦政府機関に至るまでの公共部門で、また地元に拠点を置く企業から世界的なフォーチュン500企業に至るまでの民間部門で行うことができます。[5]

歴史

学問としての土木工学

土木工学は、社会の問題を解決するための物理的および科学的原理の応用であり、その歴史は、歴史を通して物理学と数学の理解の進歩と複雑に関連しています。土木工学は、いくつかの専門分野を含む幅広い専門分野であるため、その歴史は、構造、材料科学、地理学、地質学、土壌、水文学、環境科学、力学、プロジェクト管理、およびその他の分野の知識にリンクされています。[6]

古代と中世の歴史を通して、ほとんどの建築設計と建設は、石工や大工などの職人によって行われ、マスタービルダーの役割を果たしました。知識はギルドに保持され、進歩に取って代わられることはめったにありませんでした。存在していた構造物、道路、インフラストラクチャは反復的であり、規模の拡大は段階的でした。[7]

土木工学に適用できる物理的および数学的問題への科学的アプローチの最も初期の例の1つは、浮力の理解を支えるアルキメデスの原理や、アルキメデスのねじなどの実用的な解決策を含む、紀元前3世紀のアルキメデスの研究です。インドの数学者であるブラフマグプタは、発掘（体積）の計算に、7世紀にヒンドゥーアラビア数字に基づいた算術を使用しました。[8]

土木専門職

工学は人間の存在の始まり以来、人生の側面でした。土木工学の初期の実践は、古代エジプト、インダス文明、メソポタミア（古代イラク）で紀元前4000年から2000年の間に始まり、人間が遊牧民の存在を放棄し始め、避難所の建設が必要になった可能性があります。この間、輸送はますます重要になり、車輪と帆走の開発につながりました。

レオンハルトオイラーは、柱の座屈を説明する理論を開発しました。

現代まで、土木工学と建築の明確な区別はありませんでした。エンジニアと建築家という用語は、主に同じ職業を指す地理的なバリエーションであり、しばしば同じ意味で使用されていました。[9]エジプト（紀元前2700年から2500年頃）でのピラミッドの建設は、大規模な構造物の建設の最初の例のいくつかでした。他の古代の歴史的な土木建築には、カナトの水管理システム（最も古いものは3000年以上、71 kmより長い[10]）、古代ギリシャのイクティノスによるパルテノン神殿（紀元前447〜438年）、ローマのエンジニアによるアピアンウェイが含まれます。（紀元前312年頃）、始皇帝の始皇帝（紀元前220年頃）[11]からの命令による、孟ティエン将軍による万里の長城、ジェータワナラマヤやアヌラーダプラで大規模な灌漑が行われています。ローマ人は、特に水道、インスラ、港、橋、ダム、道路 など、帝国全体に土木構造物を開発しました。

ローマの水道橋[紀元前19年頃に建設]、 ポンデュガール、フランス
チチェンイツァは、ポストクラシックのマヤ人によって建てられたメキシコのコロンブス以前の大都市でした。北東の柱の寺院は、約40メートル（130フィート）離れた複合施設から元セノ​​ーテであるレジョラダまですべての雨水を注ぎ込む水路も覆っています。

18世紀には、土木工学という用語は、軍事工学ではなく、民間のものすべてを組み込むために造られました。[4] 1747年、土木工学を教える最初の機関である国立土木学校がフランスに設立されました。スペインのような他のヨーロッパ諸国では​​、さらに多くの例が続きました。[12]最初の自称土木技師は、エディストン灯台を建設したジョン・スミートンでした。[3] [11]1771年、スミートンと彼の同僚の何人かは、夕食時に非公式に会った職業の指導者のグループであるスミートニアン土木技師協会を結成しました。いくつかの技術会議の証拠がありましたが、それは社会社会にすぎませんでした。

ジョン・スミートン、「土木工学の父」

1818年に英国土木学会がロンドンに設立され[13]、1820年に著名なエンジニアであるトーマス・テルフォードが初代大統領になりました。この機関は1828年に勅許を取得し、土木工学を職業として正式に認めました。その憲章は土木工学を次のように定義しました：

道路、橋、水道、運河の建設に適用されるように、外部および内部貿易の両方のために、州の生産および交通の手段として、人間の使用および利便性のために自然界の偉大な動力源を導く技術。 、内部の交流と交換のための河川航行と埠頭、港、港、ほくろ、防波堤、灯台の建設、商業目的の人工動力による航行の技術、機械の建設と応用、そして都市や町の排水路で。[14]

土木教育

米国で土木工学を教えた最初の私立大学は、1819年にオールデンパートリッジ大尉によって設立されたノリッジ大学でした。[15]米国の土木工学の最初の学位は、1835年にレンセラー工科大学によって授与されました。 [16] [17]女性に授与される最初のそのような学位は、1905年にコーネル大学からノラスタントンブラッチに授与されました。 [18]

19世紀初頭の英国では、土木工学と軍事工学の区分（王立軍事アカデミー、ウーウィッチが提供）と産業革命の要求が相まって、新しい工学教育イニシアチブが生まれました。土木工学と鉱業のクラスです。主に鉄道システムの成長とより資格のあるエンジニアの必要性への対応として、1838年にロンドンのキングスカレッジで設立されました。1839年にパトニーに私立土木工学大学が設立され、英国初の工学部長が設立されました。1840年 にグラスゴー大学で。

教育

土木技師は通常、土木工学の学位を持っています。研究期間は3年から5年で、修了した学位は技術学士または工学士に指定されます。カリキュラムには通常、物理学、数学、プロジェクト管理のクラスが含まれます、土木工学の設計と特定のトピック。土木工学のほとんどのサブ分野で基本的なコースを受講した後、彼らは高度なレベルで1つ以上のサブ分野に特化するようになります。学部の学位（BEng / BSc）は通常、成功した学生に業界認定の資格を提供しますが、一部の学術機関は大学院の学位（MEng / MSc）を提供しており、学生は特定の関心分野にさらに特化することができます。[19]

19世紀後半にヘルシンキ工科大学の教授と一緒に学生を調査しました。

技術者の実践

ほとんどの国では、工学の学士号が専門資格認定への第一歩であり、専門機関が学位プログラムを認定しています。認定学位プログラムを修了した後、エンジニアは認定を受ける前に、実務経験や試験要件など、さまざまな要件を満たす必要があります。認定されると、エンジニアはプロのエンジニア（米国、カナダ、南アフリカ）、公認技術者（ほとんどの連邦諸国）、公認技術者（オーストラリアとニュージーランド）、またはヨーロッパのエンジニア（欧州連合のほとんどの国で）。エンジニアが国境を越えて練習できるようにするために、関連する専門機関の間で国際協定があります。

認証のメリットは場所によって異なります。たとえば、米国とカナダでは、「資格のある専門技術者のみが、エンジニアリング計画と図面を準備し、署名して封印し、承認を得るために公的機関に提出するか、公的および民間のクライアントのためにエンジニアリング作業を封印することができます」。[20]この要件は、ケベック州のエンジニア法などの州法の下で施行されています。[21]英国を含む他の国では、そのような法律は制定されていません。オーストラリアでは、エンジニアの州ライセンスはクイーンズランド州に限定されています。ほとんどすべての認証機関は、すべてのメンバーが従わなければならない倫理規定を維持しています。[22]

エンジニアは、他の当事者との契約関係において契約法に従わなければなりません。エンジニアの仕事が失敗した場合、彼らは過失の不法行為の法則の対象となる可能性があり、極端な場合には刑事責任を問われる可能性があります。[23]エンジニアの仕事は、建築基準法や環境法など、他の多くの規則や規制にも準拠する必要があります。

サブディシプリン

現在、世界最長の吊り橋である明石海峡大橋。

土木工学の幅広い分野には、いくつかのサブ分野があります。一般的な土木技師は、測量士や専門の土木技師と緊密に協力して、グレーディング、排水、舗装を設計します、上水道、下水道、ダム、電気および通信供給。一般的な土木工学は、サイトエンジニアリングとも呼ばれます。これは、主に土地をある用途から別の用途に変換することに焦点を当てた土木工学の分野です。サイトエンジニアは、プロジェクトサイトを訪問し、利害関係者と会い、建設計画を準備することに時間を費やします。土木技師は、地質工学、構造工学、環境工学、輸送工学、建設工学の原則を、あらゆる規模とレベルの建設の住宅、商業、工業、公共工事プロジェクトに適用します。

沿岸工学

オランダの高潮障壁であるOosterscheldekering。

沿岸工学は沿岸地域の管理に関係しています。一部の管轄区域では、海の防衛と沿岸の保護という用語は、それぞれ洪水と浸食に対する防御を意味します。沿岸防御という用語はより伝統的な用語ですが、侵食によって土地を要求できる技術に分野が拡大するにつれて、沿岸管理がより一般的になりました。

建設工学

建設工学には、計画と実行、材料の輸送、水力、環境、構造、地盤工学に基づくサイト開発が含まれます。建設会社は他のタイプの土木会社よりもビジネスリスクが高い傾向があるため、建設エンジニアは、契約書の作成と確認、物流業務の評価、消耗品の価格の監視など、よりビジネスに近い取引を行うことがよくあります。

地震工学

地震工学には、危険な地震への暴露に耐える構造を設計することが含まれます。地震工学は構造工学の下位分野です。地震工学の主な目的は[24]、不安定な地面での構造物の相互作用を理解することです。起こりうる地震の結果を予見する。建築基準法に準拠して地震時に機能する構造物を設計、建設、維持します。

環境工学

水質汚染で汚染されたクリーク

環境工学は、衛生工学の現代的な用語ですが、衛生工学は、伝統的に、環境工学によってカバーされる有害廃棄物管理および環境修復作業の多くを含んでいませんでした。公衆衛生工学と環境健康工学は、使用されている他の用語です。

環境工学は、化学的、生物学的、または熱的廃棄物の処理、水と空気の浄化、および廃棄物処理または偶発的な汚染後の汚染された場所の修復を扱います。環境工学の対象となるトピックには、汚染物質の輸送、水の浄化、廃水処理、大気汚染、固形廃棄物の処理、リサイクル、および有害廃棄物の管理があります。環境エンジニアは、汚染削減、グリーンエンジニアリング、および産業生態学を管理します。環境エンジニアはまた、提案された行動の環境への影響に関する情報をまとめます。

法医学工学

法医学工学とは、意図したとおりに機能しない、または機能しない、または機能しない材料、製品、構造、またはコンポーネントの調査であり、人身傷害または物的損害を引き起こします。失敗の結果は、製造物責任の法律によって取り扱われます。この分野はまた、車両または機械の操作における事故につながる再追跡プロセスおよび手順を扱っています。この主題は、刑法事件で役立つ可能性がありますが、民法事件で最も一般的に適用されます。一般に、フォレンジックエンジニアリング調査の目的は、コンポーネントのパフォーマンスや寿命を改善する目的で、または裁判所が事故の事実を判断するのを支援する目的で、障害の原因を特定することです。特に、知的財産権の主張の調査も含まれる場合があります特許。

地盤工学

空気、土壌、水、および空隙の重量と体積を示す土壌の状態図。

地盤工学は、土木工学システムをサポートする岩石と土壌を研究します。土壌学、材料科学、力学、および水理学の分野からの知識は、基礎、擁壁、およびその他の構造を安全かつ経済的に設計するために適用されます。地下水を保護し、埋め立て地を安全に維持するための環境への取り組みは、地球環境工学と呼ばれる新しい研究分野を生み出しました。[25] [26]

土壌特性の特定は、地盤工学エンジニアにとって課題となります。境界条件は、土木工学の他の分野で明確に定義されていることがよくありますが、鋼やコンクリートとは異なり、土壌の材料特性と挙動は、その変動性と調査の制限のために予測が困難です。さらに、土は非線形（応力依存）の強度、剛性、およびダイラタンシー（せん断応力の適用に関連する体積変化）を示し、土質力学の研究をさらに困難にします。[25]地盤工学エンジニアは、専門の地質学者や土壌学者と頻繁に協力しています。[27]

材料科学と工学

材料科学は土木工学と密接に関係しています。材料の基本的な特性を研究し、コンクリートや混合アスファルトコンクリートなどのセラミック、アルミニウムや鋼などの強金属、ポリメチルメタクリレート（PMMA）や炭素繊維 などの熱硬化性ポリマーを扱います。

材料工学には、保護と防止（塗装と仕上げ）が含まれます。合金化は、2種類の金属を組み合わせて、目的の特性を持つ別の金属を生成します。応用物理学と化学の要素が組み込まれています。ナノサイエンスとナノテクノロジーに関する最近のメディアの注目により、材料工学は学術研究の最前線に立ってきました。また、フォレンジックエンジニアリングと障害分析の重要な部分です。

サイトの開発と計画

提案された多目的サイトの計画案

サイト開発は、サイト計画とも呼ばれ、サイトの計画と開発の可能性に焦点を当てているだけでなく、許可の問題や環境問題から生じる可能性のある影響に対処しています。[28]

構造工学

建設プロセスのブルジュハリファアニメーション
浅い基礎工事例

構造工学は、建物、橋、塔、高架道路（高架）、トンネル、海の油田やガス田などの沖合構造物、航空構造物の構造設計と構造解析に関係しています。およびその他の構造。これには、構造に作用する荷重と、それらの荷重によってその構造内で発生する力と応力を特定し、それらの荷重を正常にサポートおよび抵抗するように構造を設計することが含まれます。荷重は、構造物の自重、その他の死荷重、活荷重、移動（車輪）荷重、風荷重、地震荷重、温度変化による荷重などです。構造エンジニアは、ユーザーにとって安全で成功するように構造物を設計する必要があります。それらが設計された機能を実行します（サービス可能になるため）。いくつかの荷重条件の性質により、風力工学や地震工学を含む構造工学のサブ分野が出現しました。[29]

設計上の考慮事項には、家具や自重などの静的な荷重、または風、地震、群集、車両の荷重などの動的な荷重、または一時的な荷重などの一時的な荷重を受けたときの構造の強度、剛性、安定性が含まれます。建設荷重または衝撃。その他の考慮事項には、コスト、建設性、安全性、美観、持続可能性が含まれます。

測量

ダンピーレベルを使用している学生

測量は、測量士が地表またはその近くで発生する特定の寸法を測定するプロセスです。レベルやセオドライトなどの測量機器は、角度偏差、水平、垂直、傾斜距離を正確に測定するために使用されます。コンピューター化により、電子距離測定（EDM）、トータルステーション、GPS測量、レーザースキャンは、従来の機器に大幅に取って代わられました。調査測定によって収集されたデータは、地図の形で地球の表面のグラフィック表現に変換されます。この情報は、土木技師、請負業者、不動産業者がそれぞれ設計、構築、取引に使用します。構造物の要素は、相互に、およびサイトの境界と隣接する構造物に対してサイズ設定および配置する必要があります。

測量は、資格とライセンスの取り決めが異なる別個の職業ですが、土木技師は、測量と地図作成の基本、および地理情報システムのトレーニングを受けています。測量士はまた、建設前に、鉄道、路面電車の線路、高速道路、道路、パイプライン、道路のルートをレイアウトし、港などの他のインフラストラクチャを配置します。

土地測量

米国、カナダ、英国、およびほとんどの英連邦諸国では、土地測量は別個の別個の職業であると見なされています。土地測量士はエンジニアとは見なされず、独自の専門家協会とライセンス要件があります。認可された土地測量士のサービスは、一般に、境界調査（法的な説明を使用して区画の境界を確立するため）および細分化計画（土地区画の調査に基づいて境界線が内側に描かれたプロットまたはマップ）に必要です。新しい境界線と道路の作成を示すためのより大きな区画）。どちらも一般に地籍測量と呼ばれます。

アリゾナ州サンザビエルでの1992年のBLM地籍調査マーカー。
建設測量

建設測量は、通常、専門の技術者によって行われます。土地測量士とは異なり、結果として得られる計画には法的地位がありません。建設測量士は次のタスクを実行します。

  • 地形、既存の建物とインフラストラクチャ、および可能な場合は地下インフラストラクチャを含む、将来の作業現場の既存の状態を調査します。
  • 「レイアウト」または「設定」：道路や建物などの新しい構造物の建設をガイドする基準点とマーカーを配置します。
  • 建設中の構造物の位置の確認;
  • 完成時の測量：建設プロジェクトの最後に実施される調査で、許可された作業が計画で設定された仕様に従って完了したことを確認します。

交通工学

交通工学は、人や物を効率的、安全に、そして活気のあるコミュニティに役立つ方法で移動させることに関係しています。これには、道路、運河、高速道路、鉄道システム、空港、港、および大量輸送機関を含む輸送インフラストラクチャの指定、設計、構築、および保守が含まれます。これには、交通設計、交通計画、交通工学、都市工学のいくつかの側面、キューイング理論、舗装工学、高度道路交通システム（ITS）、インフラストラクチャ管理などの分野が含まれます。

都市工学または都市工学

イギリスのブリストルにあるこのラウンドアバウトのエンジニアリングは、交通流を自由に動かせるようにしようとしています
チャプルテペック湖

地方自治体のエンジニアリングは、地方自治体のインフラストラクチャに関係しています。これには、道路、歩道、給水ネットワーク、下水道、街路照明、都市固形廃棄物の管理と処分、保守および公共事業（塩、砂など）に使用されるさまざまなバルク材料の保管庫の指定、設計、建設、および保守が含まれます。 、公共公園およびサイクリングインフラストラクチャ。地下ユーティリティネットワークの場合、電気および電気通信サービスのローカル配電ネットワークの民間部分（導管およびアクセスチャンバー）も含まれる場合があります。また、廃棄物収集の最適化とバスサービスネットワーク。これらの分野のいくつかは他の土木工学の専門分野と重複していますが、都市工学はこれらのインフラストラクチャネットワークとサービスの調整に重点を置いています。これらは同時に構築され、同じ都市当局によって管理されることが多いためです。地方自治体のエンジニアは、大きな建物、産業プラント、またはキャンパス（つまり、アクセス道路、駐車場、飲料水供給、廃水の処理または前処理、サイトの排水など）のサイト土木工事を設計することもできます。

水資源工学

フーバーダム

水資源工学は、（天然資源としての）水の収集と管理に関係しています。したがって、学問として、水文学、環境科学、気象学、保全、および資源管理の要素を組み合わせています。土木工学のこの分野は、地下（帯水層）の両方の水質と水量の両方の予測と管理に関連しています）および地上（湖、川、小川）のリソース。水資源エンジニアは、地球の非常に小さな領域から非常に大きな領域を分析およびモデル化して、施設に流入、通過、または流出する水の量と含有量を予測します。施設の実際の設計は他のエンジニアに任せることができますが。

水力工学は、主に水である流体の流れと輸送に関係しています。土木工学のこの分野は、パイプライン、給水ネットワーク、排水施設（橋、ダム、水路、カルバート、堤防、雨水管を含む）、および運河の設計に密接に関連しています。油圧エンジニアは、とりわけ、流体圧力、流体静力学、流体力学、および油圧の概念を使用してこれらの施設を設計します。

スコットランドのファルカークホイール

土木システム

土木工学システムは、より広い公共の文脈の中で土木工学の複雑さと変化を管理するためにシステム思考の使用を促進する分野です。土木インフラストラクチャの適切な開発には、プロジェクトの成功に寄与するすべての重要な要素間の関係を全体的かつ一貫して理解すると同時に、技術的な詳細に注意を払うことの重要性を強調する必要があると考えています。その目的は、構想から計画、設計、製造、運用、廃止措置に至るまで、土木プロジェクトのライフサイクル全体を統合するのを支援することです。[30] [31]

も参照してください

アソシエーション

参考文献

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さらに読む

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  • ミューアウッズ、デビッド（2012）。土木工学：非常に短い紹介。ニューヨーク：オックスフォード大学出版局。ISBN 978-0-19-957863-4。
  • ブロックリー、デビッド（2014）。構造工学：非常に短い紹介。ニューヨーク：オックスフォード大学出版局。ISBN 978-0-19-967193-9。

外部リンク

土木工学に関する図書館リソース
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