土木工学

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な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密接に結びついています。土木工学は、いくつかの専門的な下位分野を含む幅広い専門職であるため、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、その他の分野の知識と結びついています。^{[ 6 ]}

古代から中世にかけて、建築設計と建設のほとんどは、石工や大工などの職人によって行われ、彼らは建築主任の役割を担うようになりました。知識は職人ギルドで受け継がれ、技術革新によって取って代わられることはほとんどありませんでした。既存の建造物、道路、インフラは反復的で、規模の拡大は漸進的でした。^{[ 7 ]}

土木工学に適用できる物理的および数学的問題に対する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、アルキメデスの螺旋などの実用的な解決策が含まれます。インドの数学者ブラフマグプタは、西暦 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て掘削 (体積) 計算を行いました。^{[ 8 ]}

工学は人類の歴史の始まりから生活の一部でした。土木工学の最も初期の実践は、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。この頃、人々は遊牧生活を捨て始め、住居の建設が必要となりました。この時期には、交通手段の重要性が高まり、車輪や帆船の発明につながりました。

近代までは土木工学と建築の間に明確な区別はなく、エンジニアとアーキテクト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の建設（紀元前2700年頃～2500年頃）は、歴史上最初の大規模構造物建設の例の一つです。その他の古代の歴史的な土木構造物には、現代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年以上前で、71キロメートル（44マイル）以上の長さがある^{[ 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）、秦の始皇帝の命令を受けた孟天将軍による万里の長城（紀元前220年頃）^{[ 11 ]} 、古代スリランカのジェータヴァナラーマヤのような仏塔、アヌラーダプラの大規模な灌漑施設などがある。ローマ人は帝国全体で土木構造物を発展させ、特に水道橋、インスラ、港、橋、ダム、道路などを建設した。 

18 世紀には、軍事工学とは対照的に民間のあらゆるものを包含するために土木工学という用語が作られました。^{[ 4 ]} 1747 年、土木工学の教育のための最初の機関である国立土木学校 ( École Nationale des Ponts et Chaussées ) がフランスに設立され、スペイン (Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos) など他のヨーロッパ諸国でも同様の学校が設立されました。^{[ 12 ]}自称土木技師の最初の人物は、エディストー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数名が、夕食を共にしながら非公式に会合する専門家のグループであるスミートン土木技師協会を結成しました。技術的な会合があったという証拠はありますが、それは社交協会以上のものはほとんどありませんでした。

1818年、ロンドンで土木学会が設立され^{[ 13 ]}、1820年には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た。同学会は1828年に王室勅許状を受け、土木工学を正式に専門職として認めた。その勅許状では、土木工学を次のように定義している。

自然界の偉大な力源を人間の利用と便宜のために制御する技術、国家における生産手段および交易手段として、国内外の貿易の両方に応用される技術、国内交流および交易のための道路、橋、水道、運河、河川航行およびドックの建設、港湾、埠頭、防波堤および灯台の建設、商業目的のための人工動力による航行技術、機械の建設および応用、都市および町の排水。^{[ 14 ]}

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ーウィッチ大学でした。 ^{[ 15 ]}米国で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 ]}女性に授与された最初の学位は、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っていた）の分業に加え、産業革命の需要が、新たな工学教育の取り組みを生み出した。1838年には、鉄道網の拡大とより多くの有資格技術者の必要性に応える形で、キングス・カレッジ・ロンドンに土木工学・鉱山学科が設立された。1839年にはパトニーに私立の土木工学専門学校が設立され、1840年にはグラスゴー大学に英国初の工学講座が設立された。

沿岸工学は、沿岸地域の管理に関わる学問です。地域によっては、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。沿岸防護はより伝統的な用語ですが、沿岸管理という用語も広く使われるようになってきています。

建設工学は、水理工学、環境工学、構造工学、地盤工学に基づいた計画立案と施工、資材輸送、および敷地開発を包含する分野です。建設会社は他の土木工学会社に比べて事業リスクが高い傾向にあるため、建設技術者は契約書の作成と審査、物流業務の分析と評価、資材価格の監視など、よりビジネスライクな業務に従事することがよくあります。

地震工学とは^{、危険な地震に耐えられる構造物を}設計することです。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、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測すること、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、現代では衛生工学を指す用語として用いられているが、従来、衛生工学には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なかった。公衆衛生工学や環境衛生工学といった用語も用いられている。

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、廃棄物処分後または偶発的な汚染後の汚染地の修復を扱います。環境工学で扱われるトピックには、汚染物質の輸送、水質浄化、廃水処理、大気汚染、固体廃棄物処理、リサイクル、有害廃棄物管理などがあります。環境技術者は、汚染削減、グリーンエンジニアリング、産業エコロジーを管理します。また、環境技術者は、提案された行動の環境への影響に関する情報を収集します。

フォレンジックエンジニアリングとは、意図したとおりに機能しない、または故障した材料、製品、構造物、または部品を調査し、人身傷害や物的損害を引き起こす原因を特定することです。故障の結果は、製造物責任法によって対処されます。この分野では、車両や機械の操作中に発生した事故につながるプロセスや手順の追跡も扱います。この分野は、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。一般的に、フォレンジックエンジニアリング調査の目的は、部品の性能や寿命を改善するため、または裁判所が事故の事実を判断するのを支援するために、故障の原因を特定することです。また、知的財産権、特に特許に関する調査も含まれる場合があります。

地盤工学は、土木工学システムを支える岩盤や土壌を研究する分野です。土壌科学、材料科学、力学、水理学の知識を応用して、基礎、擁壁、その他の構造物を安全かつ経済的に設計します。地下水を保護し、埋立地を安全に維持するための環境対策により、地盤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 ]}

土壌特性の特定は、地盤工学技術者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は明確に定義されていることが多いのですが、鋼材やコンクリートとは異なり、土壌の材料特性や挙動は、その変動性と調査の制限により予測が困難です。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伴う体積変化）を示すため、土壌力学の研究はさらに困難になります。^{[ 25 ]}地盤工学技術者は、専門の地質学者、 地質工学の専門家、土壌科学者と頻繁に協力します。^{[ 27 ]}

材料科学は土木工学と密接に関連している。材料の基本的な特性を研究し、コンクリートやアスファルト混合コンクリートなどのセラミックス、アルミニウムや鋼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を扱う。

材料工学は、保護と予防（塗料や仕上げ材など）に関わる分野です。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作り出す技術です。応用物理学と化学の要素を取り入れています。近年、ナノサイエンスとナノテクノロジーがメディアで注目を集めていることから、材料工学は学術研究の最前線に立っています。また、法医学工学や故障解析においても重要な役割を果たしています。

敷地開発（敷地計画とも呼ばれる）は、敷地の計画と開発の可能性に焦点を当て、許可の問題や環境上の課題による影響に対処するものです。^{[ 28 ]}

構造工学は、建物、橋梁、塔、高架橋、トンネル、海上の油田やガス田などの海洋構造物、航空機構造物、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部に発生する力と応力を特定し、それらの荷重を適切に支え、抵抗するように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。構造技術者は、構造物が使用者にとって安全であり、設計された機能を適切に果たす（使用可能である）ように設計する必要があります。荷重条件の性質上、構造工学内には風工学や地震工学などの下位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荷重、風荷重、地震荷重、群衆荷重、車両荷重などの動的荷重、一時的な建設荷重や衝撃などの一時的な荷重を受けた際の構造物の強度、剛性、安定性が含まれます。その他の考慮事項には、コスト、施工性、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またはその近傍に存在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、水平距離、垂直距離、傾斜距離を正確に測定するために使用されます。コンピュータ化の進展に伴い、電子距離測定（EDM）、トータルステーション、GPS測量、レーザースキャンなどが、従来の機器に取って代わりつつあります。測量によって収集されたデータは、地図という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、建設業者、不動産業者がそれぞれ設計、建設、取引を行う際に利用されます。構造物の要素は、互いに、また敷地境界や隣接する構造物との関係において、寸法と位置を決定する必要があります。

測量は資格や免許制度が異なる独立した専門職ですが、土木技術者は測量と地図作成の基礎、および地理情報システム（ GIS）に関する訓練を受けています。測量士はまた、鉄道、路面電車の線路、高速道路、一般道路、パイプライン、街路のルートを設計するほか、港湾などのインフラ施設の建設前に位置を決定します。

土地測量

米国、カナダ、英国、およびほとんどの英連邦諸国では、土地測量は独立した専門職とみなされています。土地測量士は技術者とはみなされず、独自の専門家団体と免許要件があります。免許を持つ土地測量士のサービスは、一般的に境界測量（法的記述に基づいて区画の境界を確定する）と区画整理計画（区画の測量に基づいて作成された区画図または地図で、より大きな区画内に境界線が描かれ、新しい境界線と道路の作成を示す）に必要であり、これらはどちらも一般的に地籍測量と呼ばれます。彼らは、土地の下と上の重要な地質学的特徴に関するデータを収集します。

建設測量

建設測量は一般的に専門の技術者によって行われます。土地測量とは異なり、作成された図面には法的効力はありません。建設測量士は以下の業務を行います。

• 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、将来の工事現場の現状を調査する。
• 「配置」または「測量」：道路や建物などの新しい構造物の建設を導くための基準点や標識を配置すること。
• 建設中の構造物の位置を確認する。
• 竣工測量：建設プロジェクトの終了時に実施される測量で、承認された工事が設計図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のもの。

交通工学は、人や物を効率的かつ安全に、そして活気あるコミュニティの発展に貢献する形で輸送することに関心を持つ分野です。これには、道路、運河、高速道路、鉄道、空港、港湾、公共交通機関などの交通インフラの仕様策定、設計、建設、維持管理が含まれます。具体的には、交通設計、交通計画、交通工学、都市工学の一部、待ち行列理論、舗装工学、高度道路交通システム（ITS）、インフラ管理といった分野が含まれます。

都市工学は、都市インフラに関わる分野です。これには、道路、歩道、給水網、下水道、街路灯、都市ごみの管理と処分、維持管理や公共事業で使用される各種バルク資材（塩、砂など）の保管場所、公園、自転車インフラの仕様策定、設計、建設、維持管理が含まれます。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地域配電網の土木部分（導管やアクセス室）も含まれる場合があります。また、ごみ収集やバス路線網の最適化も含まれることがあります。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ますが、都市工学はこれらのインフラネットワークとサービスの調整に重点を置いています。これは、これらのインフラネットワークとサービスが同時に建設され、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、キャンパスなどの敷地内の土木工事（アクセス道路、駐車場、飲料水供給、廃水処理または前処理、敷地内排水など）の設計も行う場合があります。

水資源工学は、水（天然資源）の収集と管理に関わる学問分野です。そのため、水文学、環境科学、気象学、保全、資源管理といった要素を組み合わせた学問となっています。この土木工学分野は、地下（帯水層）と地上（湖、河川、小川）の両方の水資源における水質と水量の予測と管理に関係しています。水資源エンジニアは、非常に小さな領域から非常に大きな領域まで、地球上の様々な領域を分析・モデル化し、施設への流入、通過、流出における水の量と組成を予測します。ただし、施設の実際の設計は、他のエンジニアに任される場合もあります。

水理工学は、主に水などの流体の流れと輸送に関する学問です。この土木工学分野は、パイプライン、給水網、排水施設（橋梁、ダム、水路、暗渠、堤防、雨水管など）、運河の設計と密接に関連しています。水理技術者は、流体圧力、流体静力学、流体動力学、水力学などの概念を用いてこれらの施設を設計します。

土木工学システムは、より広範な公共の文脈の中で、土木工学の複雑性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学問分野です。土木工学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貢献するすべての重要な要素間の関係を包括的かつ一貫して理解する必要があると同時に、技術的な詳細に注意を払うことの重要性を強調します。その目的は、構想から計画、設計、製造、運用、廃止に至るまで、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 ]}