学習目標
このレッスンが終わるまでに、次のことができるようになります。
- 土木工学の定義
- 土木工学の歴史を説明する
- 土木工学の分野を説明する
- 土木工学の機能を説明する
- 土木工学の利点を説明する
- 土木工学の最新動向
土木工学とは、物理的および自然に構築された環境の設計、構築、および維持を扱う工学の一種を指します。これには、橋、道路、運河、空港、ダム、鉄道、下水道システムなどの公共事業が含まれます。
土木工学は軍事工学に次いで 2 番目に古い工学分野です。伝統的にいくつかのサブ分野に分かれています。土木工学は公共部門と民間部門の両方で行われます。
土木工学の歴史
土木工学の歴史は、構造、地理、材料科学、地質学、水文学、土壌、力学、環境科学、プロジェクト管理などの分野の知識と結びついています。
古代史から中世にかけて、ほとんどの建設と建築設計は、大工や石工などの職人によって行われていました。当時存在していたインフラストラクチャは限定的で、設計も反復的でした。
土木工学に応用できる物理的および数学的問題に対する科学的アプローチの初期の例として、紀元前 3 世紀のアルキメデスの業績が挙げられます。彼の業績により、浮力などの概念やアルキメデスのねじなどの実用的な解決策が理解されるようになりました。
土木工学の最古の実践は、エジプトのインダス川流域と古代イラクのメソポタミアで始まりました。これは紀元前 4000 年から 2000 年の間に起こりました。この時期の土木工学の発展は、主に人々が遊牧生活を放棄したことによる影響を受けました。これにより、より多くの住居を建設する必要が生じました。この時期には輸送の必要性も高まり、車輪と航海の発明につながりました。
その他の土木工事の歴史的な例としては、以下のものがあります。
- エジプトのピラミッド（紀元前2700年 - 2500年）
- カナート水管理システム
- 古代ギリシャのパルテノン神殿（紀元前447-438年）
- ローマの技術者によるアッピア街道（紀元前312年）
- 万里の長城（紀元前220年）。
土木工学の分野
土木工学の分野には以下が含まれます。
- 構造工学。橋、建物、運河などの構造物の設計と分析に関係します。構造物に作用する荷重と、その荷重から生じる力と応力を特定します。この分析の後、エンジニアはこれらの荷重をうまく支え、抵抗できる構造物を設計します。これらの荷重には、構造物の自重、車輪の移動荷重、地震荷重、温度変化による荷重などがあります。構造エンジニアは、効果的で安全に使用できる構造物を設計する必要があります。エンジニアが設計で考慮すべき事項には、安定性、強度、剛性などがあります。
- 建設工学。建設プロジェクトの計画と実行に関わります。構造工学などの他の土木工学によって確立された設計に基づいて、すべての建設資材の輸送や敷地開発などの活動を扱います。建設エンジニアのタスクには、物流業務の評価、供給品の価格の監視、契約書の作成とレビューなどがあります。
- 環境工学。廃棄物（熱、生物、化学廃棄物）の処理、空気と水の浄化、汚染された場所の修復などの活動が含まれます。環境エンジニアには、人間の行動が環境に及ぼす影響に関する情報をまとめる役割もあります。
- 法医学工学。コンポーネント、材料、製品、構造を調査して、それらが意図したとおりに動作または機能するかどうかを判断します。これは、財産の損害や人命の損失を回避するために行われます。主な目的は、故障の原因を調査して改善することです。
- 材料科学と工学。コンクリートや鋼鉄、アルミニウムなどの強力な金属などの材料の基本的な特性を研究します。さまざまな工学作業に使用する最適な材料を理解するのに役立ちます。
- 交通工学。人や物資が効率的にある場所から別の場所へ移動しやすい環境を作り出すことが含まれます。これには、鉄道システム、高速道路、空港、運河、道路などの交通インフラの設計、構築、保守が含まれます。
- 水資源工学。水の収集と管理に関係します。また、表面と地下の両方の流体（主に水）の輸送と流れにも関係します。
- 測量。測量とは、地球の表面上または表面近くの特定の寸法を測定するプロセスです。測量士は、鉄道、高速道路、道路などの他のインフラストラクチャのルートを敷設するのに役立ちます。
土木工学の機能
土木工学の機能は、建設前に行われる機能、建設中に行われる機能、建設後に行われる機能の3つに分類されます。
1.建設前に行われる土木工事の機能は次のとおりです。
- 実行可能性調査。これは、建設の目的とプロジェクトの代替案に関する広範な調査です。たとえば、実行可能性調査では、橋を建設するかトンネルを建設するかを決定します。この調査を実施する際には、経済的な問題と工学的な問題の両方を考慮する必要があります。
- 現場調査。これは実現可能性調査に似ていますが、より広範囲にわたります。これには、構造物の安全性を保証するための土質力学の研究が含まれます。
- 設計。これは、熱力学、水力学、原子物理学などの分野の設計理論を設計システムに応用することです。また、新しい高度な設計を生み出すために、技術の研究や材料の構造分析も含まれます。
2.建設。実現可能性調査の後、エンジニアは建設の任務を負います。建設前の調査と設計に続いて、エンジニアは資材を購入し、建設を実行するチームを編成する必要があります。
3. メンテナンスは、建設後に行われる土木工事の機能であり、構造物を良好な状態に維持するための一時的な作業が含まれます。
土木工学の利点
- 道路、鉄道、運河、橋の建設を通じて交通を促進します。
- 石炭や石油の採掘、水力発電、太陽光発電などの活動を支援することで、電力開発を促進します。
- 廃棄物処理を強化することで公衆衛生を促進します。
- 灌漑システムの開発を通じて、農業などの経済のさまざまな分野を促進します。
土木工学の最新動向
- ビルディング インフォメーション モデリング (BIM): BIM はプロジェクトのコラボレーションと視覚化を強化し、材料、スケジュール、コストに関するリアルタイム データを統合して、建設の効率を高め、エラーを削減します。
- 持続可能な材料: 環境への影響を減らし、エネルギー効率を向上させることを目指して、自己修復コンクリート、リサイクル資源、バイオベースの断熱材などの環境に優しい材料の使用が増加しています。
- 3D プリント: 3D コンクリート プリントは建設をスピードアップし、無駄を最小限に抑え、人件費を削減しながら、精密で複雑な構造を可能にします。
- スマート インフラストラクチャ: インフラストラクチャ (スマート ロード、自己監視ブリッジなど) における IoT テクノロジーは、リソースを効率的に管理し、都市生活を向上させる、よりスマートで応答性の高い都市を実現します。
- ロボット工学と自動化: レンガ積み、資材の取り扱い、現場監視などの作業にロボットがますます使用されるようになり、労働力不足に対処しながら生産性と安全性が向上しています。
- オフサイト建設：プレファブリケーションとモジュール式建設方法は、そのスピード、品質管理、現場での廃棄物を最小限に抑えることによる環境への影響の軽減により、ますます人気が高まっています。
