結構工程

結構工程學（Structural Engineering）是分析和設計荷載作用下的建築結構的工程學科目。結構工程通常被歸類為土木工程的分支，但也可以作為一門獨立學科來研究。

結構工程師通常參與房屋建築和其他大型結構的設計，但也能參與到諸如機械、醫療設備、汽車等結構可靠性會影響使用和安全的領域。結構工程師必須按照國家或行業規範來設計，確保安全性（如：結構不能在毫無徵兆的情況下破壞）、可維護性以及可用性（如：房屋不能有太大的變形，避免使用者不適）。設計出來的建築必須能承受巨大的荷載，以及氣候變化和自然災害。

結構工程理論是建立於在不同場地和材料下，結構所表現出來的物理規律和工程經驗之上。結構設計一般用少數幾種簡單的結構構件來組成複雜的結構體系。

## 結構工程師

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結構工程師為工程分析和設計負責。剛入門的結構工程師會設計建築物的一些相對獨立結構構件，例如梁、柱、樓板。熟練工程師則負責建築物的整體結構分析。

結構工程師通常細分到不同的領域，如橋梁工程師、建築工程師、管道工程師、工業建築工程師，以及特定的機械設計行業如汽車和飛機。

自從人類開始建設自己的房屋，結構工程師 就出現了。19世紀晚期的工業革命，科學技術的大發展使得結構工程師逐漸獨立於建築師。在那之前，建築師和結構工程師通常是一個人，稱為主石匠。

現在，結構工程師需要完全理解靜態與動態荷載，以及相對應最適合的結構形式。現代建築的複雜性要求結構工程師極富創造力的工作。一個結構工程師通常需要四到五年的高等教育，三年左右的工作實踐才能被認為基本勝任工作。

結構工程師的從業資格和認證一般由全世界特定的學術組織和監管機構（例如，英國的結構工程師協會）。根據從業人員的學會和他們參加的考試，一般被認可為結構工程師或者土木工程師。

## 結構工程歷史

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結構工程的歷史可以追溯到公元前2700年時由伊姆荷太普主持修建的左塞爾金字塔，伊姆荷太普是第一個在歷史上留下名字的工程師。金字塔是古代文明建造的最常見的結構形式，因為金字塔結構形式是內在穩定的且可以被幾乎是無限縮放（相對於其他大多數其他結構形式，增加大小不會線性比例地增加負荷）。

在整個古代和中世紀，大多數建築物的設計和施工，是由工匠主持，如石匠和木匠。沒有系統的結構理論，對結構如何工作的認識極為有限，工程施工幾乎完全基於經驗。知識是由同業公會保留，很少進步。建築物只是重複的結構。

沒有記錄顯示誰首先計算結構構件的強度或結構材料的表現，但結構工程專業真正發展起來是在，工業革命和混凝土重新發明（見混凝土歷史）之後。文藝復興時期，基本結構的物理科學開始被理解，並一直發展至今。

### 結構失效

土木工程的歷史伴隨著大量的失效和垮塌。有時候這些事故是因為明顯的疏忽，如發生在海地的佩蒂翁維爾學校倒塌事故，負責人福爾廷·奧古斯廷牧師說「我自己主持設計建造了這房屋，我不需要什麼工程師」，結果三層的校舍局部垮塌。事故造成362人死亡，絕大多數是上課的孩子。

其他情況的結構失效常需要仔細的研究分析，因為原先的設計師常似乎做了一切行業認可的做法，但結構依然失效，然而這些研究結果常常大大地促進結構工程的發展。這樣的研究也被稱為法醫工程。對1970年代發生在澳大利亞的一系列結構失效，包括箱梁的失效的研究大大促進了結構工程知識的發展。

## 專業

### 建築結構工程

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建築結構工程，通常指包括建築物設計有關的所有結構工程。

建築工程通過運用基本的數學和科學思想，創造性地使用材料和結構形式，最終使房屋在合理的預期負載下滿足其設計功能要求和結構安全。這和單純的建築設計不同，建築設計只考慮運用材料、形式、重量、空間、體積、質感和光感來實現美學，功能和藝術審美上的功能。

建築師通常是在房屋設計時的首席設計師，結構工程師作為顧問。實際上其他每個學科的設計在很大程度上取決於結構類型。許多結構結構簡單，建築師單獨即可，如多層的辦公樓和住房，而其他結構，如索膜結構，薄殼結構和殼格結構，它們的強度很大程度上取決於結構形式，因而結構工程師的工作更加重要，對建築形體美感的影響更大。

房屋結構設計必須確保建築能夠安全地站起來，能正常工作，而沒有過度的變形或變動，避免結構構件因疲勞而開裂或失效，斷開或分離，或造成使用不適。結構設計必須考慮到由於溫度，蠕變，開裂而造成的位移和荷載。還必須確保房屋在可接受的材料製造公差下能夠順利建造。它必須配合其他建築輔助設施（如：空調，通風，排煙，電氣，照明等）。現代建築的結構設計，往往非常複雜，需要一個龐大的團隊來完成。

建築結構工程專業包括：

- 地震工程
- 幕牆工程
- 消防工程
- 屋面工程
- 塔式建築
- 風力工程

### 抗震結構工程

抗震結構是指那些設計時已經考慮需要抵抗所在地可能的地震作用的建築結構。

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抗震設計設計結構抵抗地震作用，就像軍事上修建防禦工事來抵抗可能發生的戰爭。抗震設計和軍事思想原則是相似的：做好準備，儘量減緩或減輕可能遭到的攻擊。

抗震結構工程的主要目標是：

- 了解地震作用時的結構內部作用
- 預見地震時結構可能發生的結果
- 檢驗結構體系的抗震性能

抗震結構工程或抗震結構並不一定指非常堅硬或者昂貴。事實上，許多被認為「堅固」的結構反而太沉重，以至於極易在地震中垮塌。

現在，最「有力」和「經濟」的抗震結構工程做法是基礎隔震，一種被動的振動控制技術。

### 土木結構工程

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英語語境中，土木工程包含了幾乎所有建築工程，中國俗稱「大土木」。中國學術界將水壩等土木建築獨立於土木工程，俗稱「小土木」。

土木結構工程指最廣泛層面上的建築結構工程，包括：

結構工程師主導，常獨立設計這些結構物。在這些類型的設計中，結構安全是最重要。在英國，橋梁、核電站和橋梁的設計必須由註冊工程師簽字負責。

土木工程結構經常需要面對極端條件，如劇烈的氣候變化，衝擊荷載（如飛機跑道和高架橋），高壓（水壓或管道壓力）。也常建造於腐蝕性環境，如海洋、工業設施內或地下。

### 機械結構

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建築結構工程的原理常被用於機械結構。靜態結構設計通常假定構件總是保持穩定的幾何形狀（事實上，所謂的靜態結構也可能發生顯著變形，必要時，結構工程師設計必須予以考慮），然而機械結構包含大量活動部件，因而必須考慮金屬疲勞造成的結構變形和荷載變化。

機械構件受到高頻變化的衝擊力，如船和飛機部件的內力會有無數次的變化，在他們的設計生命周期內。結構工程師必須確保在整個設計使用壽命中構件都不會失效。

機械結構工程：

- 機體
- 壓力容器
- 車身
- 起重機
- 電梯
- 電動扶梯
- 船體

## 結構構件

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任何結構都是由簡單的結構構件組成的：

- 柱
- 梁
- 板
- 拱
- 殼
- 索

這些結構構件可以按照形式（直線、平面、曲線）和維度（一維、二維）：

一維｜二維

直線｜曲線｜平面｜曲線

（主要）彎曲｜梁｜continuous 拱｜板｜平面層, 拱頂

（主要）拉伸應力｜rope｜懸鏈線｜薄殼結構

（主要）受壓｜拱頂, 柱｜承重牆

## 建築材料

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結構工程取決於對材料及其性能的知識，使用不同的材料來抵禦荷載。

常見建築結構材料：

- 鍛鐵
- 鑄鐵
- 鋼
- 不鏽鋼
- 鋼筋混凝土
- 預應力混凝土
- 鋁
- 複合材料
- 合金
- 石材
- 木材
- 其他建築材料
- 磚
- 竹
- 碳纖維
- 纖維增強塑料
- 泥磚

## 參考資料

- Blank, Alan; McEvoy, Michael; Plank, Roger (1993). Architecture and Construction in Steel. Taylor & Francis. ISBN 0419176608.
- Bradley, Robert E.; Sandifer, Charles Edward (2007). Leonhard Euler: Life, Work and Legacy. Elsevier. ISBN 0444527281.
- Chapman, Allan. (2005). England's Leornardo: Robert Hooke and the Seventeenth Century's Scientific Revolution. CRC Press. ISBN 0750309873.
- Dugas, René (1988). A History of Mechanics. Courier Dover Publications. ISBN 0486656322.
- Feld, Jacob; Carper, Kenneth L. (1997). Construction Failure. John Wiley & Sons. ISBN 0471574775.
- Galilei, Galileo. (translators: Crew, Henry; de Salvio, Alfonso) (1954). Dialogues Concerning Two New Sciences. Courier Dover Publications. ISBN 0486600998
- Hewson, Nigel R. (2003). Prestressed Concrete Bridges: Design and Construction. Thomas Telford. ISBN 0727727745.
- Heyman, Jacques (1998). Structural Analysis: A Historical Approach. Cambridge University Press. ISBN 0521622492.
- Heyman, Jacques (1999). The Science of Structural Engineering. Imperial College Press. ISBN 1860941893.
- Hosford, William F. (2005). Mechanical Behavior of Materials. Cambridge University Press. ISBN 0521846706.
- Hoogenboom P.C.J. (1998). "Discrete Elements and Nonlinearity in Design of Structural Concrete Walls", Section 1.3 Historical Overview of Structural Concrete Modelling, ISBN 90-9011843-8.
- Kirby, Richard Shelton (1990). Engineering in History. Courier Dover Publications. ISBN 0486264122.
- Labrum, E.A. (1994). Civil Engineering Heritage. Thomas Telford. ISBN 072771970X.
- Lewis, Peter R. (2004). Beautiful Bridge of the Silvery Tay. Tempus.
- Mir, Ali (2001). Art of the Skyscraper: the Genius of Fazlur Khan. Rizzoli International Publications. ISBN 0847823709.
- Nedwell, P.J.; Swamy, R.N.(ed) (1994). Ferrocement:Proceedings of the Fifth International Symposium. Taylor & Francis. ISBN 0419197001.
- Rozhanskaya, Mariam; Levinova, I. S. (1996). "Statics" in Morelon, Régis & Rashed, Roshdi (1996). Encyclopedia of the History of Arabic Science, vol. 2-3, Routledge. ISBN 0415020638
- Whitbeck, Caroline (1998). Ethics in Engineering Practice and Research. Cambridge University Press. ISBN 0521479444.

## 外部連結

- IABSE (International Association for Bridge and Structural Engineering)
- STRUCTURAL PLANNING ANALYSIS AND DESIGN CONSULTANT - International = SPADE CONSULTANT
- Institution of Structural Engineers (IStructE)
- Structural Engineering Association - International
- National Council of Structural Engineers Associations
- Structural Engineering Institute, an institute of the American Society of Civil Engineers
- The Structural Engineer - A Center for Information Dissemination on Structural Engineering
- StructuralWiki.org - wiki for structural engineering
- Structuremag The Definition of Structural Engineering
- Structurae database of structures
- Frame and Form, weblog focused on structural design
- PROKON Structural Analysis and Design
- Site of structural engineering