土木工学

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、鉄道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。^{[1] [2]}

土木工学は伝統的にいくつかの分野に分かれています。軍事工学に次いで2番目に古い工学分野と考えられており、^[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、自治体の公共}事業部門から連邦政府機関までの公共部門と、地元企業からフォーチュン・グローバル500企業までの民間部門で行われます。^[5]

土木工学は、社会の問題を解決するために物理的および科学的原理を応用するものであり、その歴史は歴史を通じて物理学と数学の理解の進歩と複雑に結びついています。土木工学は、いくつかの専門的なサブ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関連しています。^[6]

古代から中世にかけての歴史を通じて、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、棟梁の役割を担っていました。知識はギルドに保持され、進歩によって置き換えられることはめったにありませんでした。既存の構造物、道路、インフラは反復的で、規模の拡大は段階的でした。^[7]

土木工学に応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、紀元前3世紀のアルキメデスの研究であり、浮力の理解の基礎とな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が含まれています。インドの数学者であるブラフマグプタは、紀元7世紀に、掘削（体積）の計算にヒンドゥーアラビア数字に基づく算術を使用しました。^[8]

人類が誕生して 以来、工学は生活の一部となってきました。土木工学の最も古い実践は、紀元前 4000 年から 2000 年の間に古代エジプト、インダス文明、メソポタミア(古代イラク) で始まったと考えられています。当時、人類は遊牧生活を捨て、住居の建設が必要になりました。この時期には、交通手段がますます重要になり、車輪と帆船が発達しました。

近代まで土木工学と建築の間に明確な区別はなく、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違いであり、しばしば互換的に使用されていました。^{[9]エジプトの}ピラミッド建設（紀元前 2700年～2500年頃）は、歴史上最初の大規模な構造物建設の例の一部です。その他の古代の歴史的な土木工事としては、現在のイランにあるカナート水管理システム（最古のものは3000年以上前に遡り、長さは71キロメートル（44マイル）以上）^[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）、ローマの技術者によるアッピア街道（紀元前 312年頃）、秦の始皇帝の命を受けた孟典将軍による万里の長城（紀元前 220年頃）^{[11] 、}ジェータヴァナラーマヤのような古代スリランカの仏塔やアヌラーダプラの大規模な灌漑施設などがある。ローマ人は帝国全土に土木構造物を整備し、特に水道橋、島、港、橋、ダム、道路などを整備した。

18世紀には、軍事工学とは対照的に、民間のあらゆる事柄を包含するものとして、土木工学という用語は造られた。^[4] 1747年、土木工学を教える最初の機関である国立橋梁学校がフランスに設立され、スペインなど他のヨーロッパ諸国でも同様の事例が続いた。^[12]土木技術者を自称した最初の人物は、エディストン灯台を建設したジョン・スミートンである。^{[3] [11]} 1771年、スミートンと彼の同僚数名は、夕食を共にしながら非公式に集まる専門職のリーダーたちの集まりであるスミートン土木技術者協会を設立した。いくつかの技術会議があった形跡はあるものの、社交的な団体に過ぎなかった。

1818年にロンドンで土木技術者協会が設立され、^[13] 1820年に著名な技術者トーマス・テルフォードが初代会長に就任しました。この協会は1828年に王室勅許状を受け、土木工学を職業として正式に認めました。その勅許状では土木工学を次のように定義しています。

人間の利用と便宜のために、国家における生産手段と交通手段として、対外貿易と国内貿易の両方のために、自然界の大きな力の源を管理する技術。国内の交流と交換のための道路、橋、水道、運河、河川航行とドックの建設、港、港湾、防波堤、灯台の建設、商業目的の人工力による航行技術、機械の建設と応用、都市と町の排水に適用される。^[14]

アメリカで土木工学を教えた最初の私立大学はノーウィッチ大学で、1819年にオールデン・パートリッジ大尉によって設立されました。^[15]アメリカで最初の土木工学の学位は、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]}女性に授与された最初の土木工学の学位は、 1905年にコーネル大学からノーラ・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 (ウーリッジの王立陸軍士官学校が担当) の分離と産業革命の需要が相まって、新しい工学教育の取り組みが生まれました。鉄道システムの成長とより有能なエンジニアの必要性に応えて、1838 年にキングス カレッジ ロンドンに土木工学と鉱山学のクラスが設立され、1839 年にはパトニーに私立の土木技術者大学が設立され、1840 年にはグラスゴー大学に英国初の工学部長が置かれました。

土木技術者は通常、土木工学の学位を取得しています。学習期間は3年から5年で、修了すると技術学士または工学士の学位が授与されます。カリキュラムには通常、物理学、数学、プロジェクト管理、設計、土木工学の特定のトピックの授業が含まれます。土木工学のほとんどのサブ分野の基礎コースを受講した後、上級レベルで1つ以上のサブ分野に特化します。学士号（BEng / BSc）を取得すると、通常は優秀な学生に業界認定の資格が与えられますが、一部の学術機関では大学院の学位（MEng / MSc）を提供しており、学生は特定の関心分野をさらに専門的に学ぶことができます。^[19]

ほとんどの国では、工学の学士号は専門資格への第一歩であり、専門機関が学位プログラムを認定します。認定された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、エンジニアはプロフェッショナル エンジニア(米国、カナダ、南アフリカ)、公認エンジニア(ほとんどの連邦諸国)、公認プロフェッショナル エンジニア (オーストラリアとニュージーランド)、または欧州エンジニア (欧州連合のほとんどの国) として指定されます。関連する専門機関の間では、エンジニアが国境を越えて活動できるようにするための国際協定が結ばれています。

資格認定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、「資格を有する専門技術者のみが、エンジニアリング計画書や図面を作成し、署名と捺印を行い、公的機関に承認のために提出したり、公共および民間のクライアントのエンジニアリング作業に捺印したり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に基づいて施行されています。^[21]英国を含む他の国では、こ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、州のエンジニア資格認定はクイーンズランド州に限定されています。ほぼすべての認定機関は、すべてのメンバーが遵守し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を遵守しなければなりません。エンジニアの仕事が失敗した場合、過失責任法の対象となる可能性があり、極端な場合には刑事告訴されることもあります。^{[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従わなければなりません。

土木工学の幅広い分野には、数多くのサブ分野があります。一般土木技師は、測量士や専門土木技師と緊密に連携して、整地、排水、舗装、給水、下水道、ダム、電気および通信供給を設計します。一般土木工学は現場工学とも呼ばれ、主に土地の用途を別の用途に変更することに重点を置く土木工学の一分野です。現場技師は、プロジェクトの現場を訪問し、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、交通工学、建設工学の原理を、あらゆる規模と建設レベルの住宅、商業、工業、公共事業プロジェクトに適用します。

沿岸工学は沿岸地域の管理に関係しています。一部の地域では、海防と沿岸保護という用語は、それぞれ洪水と浸食に対する防御を意味します。沿岸防衛はより伝統的な用語ですが、沿岸管理も一般的になっています。

建設工学には、水理、環境、構造、地質工学に基づいた計画と実行、資材の輸送、敷地開発が含まれます。建設会社は他の種類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、供給品の価格の監視など、よりビジネス的な取引に従事することがよくあります。

地震工学は、危険な地震に耐える構造物を設計することを含みます。地震工学は構造工学のサブ分野です。地震工学の主な目的は^{[24]、揺れる地盤上の構造物の相互作用を理解すること、起こりうる地震の結果を予見すること、そして}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、維持することです。

環境工学は衛生工学の現代的な用語ですが、衛生工学には伝統的に、環境工学が扱う有害廃棄物管理や環境修復作業の多くは含まれていませんでした。公衆衛生工学や環境衛生工学も使用されている用語です。

環境工学は、化学廃棄物、生物廃棄物、熱廃棄物の処理、水と空気の浄化、廃棄物処理または事故による汚染後の汚染された場所の修復を扱います。環境工学が扱うトピックには、汚染物質の輸送、水の浄化、廃水処理、大気汚染、固形廃棄物処理、リサイクル、有害廃棄物管理などがあります。環境エンジニアは、汚染削減、グリーンエンジニアリング、産業生態学を管理します。環境エンジニアは、提案された行動の環境への影響に関する情報もまとめます。

法医学工学は、故障したり、意図したとおりに動作または機能しなかったりして、人身傷害や財産損害を引き起こした材料、製品、構造物、または部品の調査です。故障の結果は製造物責任法によって扱われます。この分野では、車両や機械の操作中に事故につながったプロセスと手順の追跡も扱われます。この主題は民事訴訟で最も一般的に適用されますが、刑事訴訟でも役立つ場合があります。一般に、法医学工学調査の目的は、部品の性能や寿命を向上させる目的で故障の原因を突き止めること、または事故の事実を判断する際に裁判所を支援することです。また、知的財産権、特に特許の請求の調査も含まれる場合があります。

土質工学は、土木工学システムを支える岩石と土壌を研究する学問です。土壌科学、材料科学、力学、水力学の分野の知識は、基礎、擁壁、その他の構造物を安全かつ経済的に設計するために応用されています。地下水を保護し、埋立地を安全に維持するための環境保護活動により、地質環境工学と呼ばれる新しい研究分野が生まれました。^{[25] [26]}

土質特性の特定は、土質技術者にとって課題である。土木工学の他の分野では境界条件が明確に定義されていることが多いが、鉄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ある。さらに、土壌は非線形（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）を示すため、土質力学の研究はさらに困難になっている。^{[25]土質技術者は、プロの}地質学者、 地質工学の専門家、土壌科学者と頻繁に協力している。 ^[27]

材料科学は土木工学と密接な関係があり、コンクリートやアスファルトコンクリートなどのセラミックス、アルミニウムや鉄などの強靭な金属、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など、材料の基本的な特性を研究します。

材料工学には保護と予防（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、望ましい特性を持つ別の金属を生成します。これには応用物理学と化学の要素が組み込まれています。最近、ナノサイエンスとナノテクノロジーがメディアの注目を集めており、材料工学は学術研究の最前線に立っています。また、法医学工学と故障解析の重要な部分でもあります。

敷地開発は敷地計画とも呼ばれ、敷地の計画と開発の可能性に焦点を当て、許可の問題や環境問題による影響の可能性にも対処します。^[28]

構造工学は、建物、橋、塔、高架道路（陸橋）、トンネル、海中の油田やガス田などの海洋構造物、航空構造物、その他の構造物の構造設計と構造解析に関係しています。これには、構造物に作用する荷重と、それらの荷重によって構造物内に生じる力と応力を特定し、それらの荷重をうまく支えて抵抗する構造物を設計することが含まれます。荷重には、構造物の自重、その他の固定荷重、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があります。構造エンジニアは、ユーザーにとって安全で、設計された機能（実用的であること）をうまく果たす構造物を設計する必要があります。一部の荷重条件の性質により、構造工学には風工学や地震工学などのサブ分野が生まれています。 ^[29]

設計上の考慮事項には、家具や自重などの静的な荷重、風、地震、群衆や車両の荷重などの動的な荷重、一時的な建設荷重や衝撃などの一時的な荷重を受けたときの構造物の強度、剛性、安定性が含まれます。その他の考慮事項には、コスト、建設可能性、安全性、美観、持続可能性などがあります。

測量とは、測量士が地球の表面上または表面付近で発生する特定の寸法を測定するプロセスです。角度偏差、水平、垂直、傾斜距離の正確な測定には、レベルやセオドライトなどの測量機器が使用されます。コンピュータ化により、電子距離測定 (EDM)、トータルステーション、GPS 測量、レーザースキャンが従来の機器に大きく取って代わりました。測量測定によって収集されたデータは、地図の形で地球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、建設、取引に使用します。構造物の要素は、互いの関係、および敷地境界や隣接する構造物との関係でサイズと位置を決定する必要があります。

測量は、別の資格と免許制度を持つ独立した職業ですが、土木技師は測量と地図作成の基礎、および地理情報システムについて訓練を受けています。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、街路のルートを計画し、港などの他のインフラストラクチャの位置を決定します。

土地測量

米国、カナダ、英国、およびほとんどの連邦諸国では、土地測量は独立した独立した専門職とみなされています。土地測量士はエンジニアとはみなされておらず、独自の専門団体と免許要件があります。免許を持った土地測量士のサービスは、一般的に境界測量（法的説明を使用して区画の境界を確立する）と区画計画（土地の区画の測量に基づくプロットまたは地図で、新しい境界線と道路の作成を示すために大きな区画の内側に境界線が引かれている）に必要であり、どちらも一般に地籍測量と呼ばれています。

建設調査

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はありません。建設測量士は、以下のタスクを実行します。

• 地形、既存の建物やインフラ、可能な場合は地下インフラなど、将来の作業現場の現状を調査する。
• 「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参照点やマーカーを配置すること。
• 建設中の構造物の位置を確認する。
• 竣工調査: 承認された作業が計画書に定められた仕様どおりに完了したことを確認するために、建設プロジェクトの終了時に実施される調査。

交通工学は、人々や物を効率的かつ安全に、そして活気あるコミュニティに資する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、大量輸送を含む交通インフラの指定、設計、構築、および維持が含まれます。これには、交通設計、交通計画、交通工学、都市工学の一部の側面、待ち行列理論、舗装工学、高度道路交通システム(ITS)、およびインフラ管理などの分野が含まれます。

都市工学は都市インフラに関係しています。これには、道路、歩道、給水網、下水道、街路照明、都市固形廃棄物の管理と処分、メンテナンスや公共事業に使用されるさまざまなバルク材料 (塩、砂など) の保管庫、公共公園、自転車インフラの指定、設計、建設、保守が含まれます。地下ユーティリティネットワークの場合、電気および通信サービスのローカル配電網の土木部分 (導管とアクセス チャンバー) も含まれる場合があります。また、廃棄物収集とバス サービスネットワークの最適化も含まれる場合があります。これらの分野の一部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、同じ自治体によって管理されることが多いためです。都市エンジニアは、大規模な建物、工場、またはキャンパスの現場土木工事 (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、現場排水など) も設計する場合があります。

水資源工学は、水（天然資源）の収集と管理に関係しています。したがって、学問としては、水文学、環境科学、気象学、保全、および資源管理の要素が組み合わされています。土木工学のこの分野は、地下（帯水層）と地上（湖、川、小川）の両方の資源の水質と量の予測と管理に関連しています。水資源エンジニアは、地球の非常に狭い範囲から非常に広い範囲まで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内容を予測します。ただし、施設の実際の設計は他のエンジニアに任されることがあります。

水力工学は、主に水などの流体の流れと輸送に関するものです。土木工学のこの分野は、パイプライン、給水網、排水施設（橋、ダム、水路、暗渠、堤防、雨水下水道を含む）、運河の設計と密接に関係しています。水力技術者は、流体圧力、流体静力学、流体力学、水力学などの概念を使用してこれらの施設を設計します。

土木工学システムは、より広い公共の文脈における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を使用することを推進する学問分野です。土木工学インフラの適切な開発には、プロジェクトの成功に貢献するすべての重要な要素の関係を総合的かつ首尾一貫して理解する必要があり、同時に技術的な詳細に注意を払うことが重要であるとしています。その目的は、構想から計画、設計、製造、運用、廃止まで、土木工学プロジェクトのライフサイクル全体を統合することです。 ^{[30] [31]}

• ブロックリー、デイビッド（2014）。構造工学：非常に短い入門。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。
• Chen, WF; Liew, JY Richard 編 (2002)。土木工学ハンドブック。CRC Press。ISBN 978-0-8493-0958-8。
• ミュア・ウッド、デイビッド（2012年）。土木工学：非常に短い入門書。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。
• リケッツ、ジョナサン T.、ロフトイン、M. ケント、メリット、フレデリック S. 編 (2004)。土木技術者のための標準ハンドブック(第 5 版)。マグロウヒル。ISBN 978-0-07-136473-7。

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• 土木技術者協会
• 土木工学ソフトウェアデータベース
• 土木工学調査士協会
• MIT OpenCourseWare の土木工学クラス