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三线的建设成果是十分显著的。
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在铁路建设方面——从1964年8月到1980年，共建成了成昆铁路、湘黔铁路、焦柳铁路、襄渝铁路、川黔铁路、贵昆铁路，它们把整个西北、西南地区连成了一片，还使西南地区与华中地区、西北地区和华北华中华南地区的交通网络连为一体。同时还配合铁路建设，建成许多公路网络，从根本上改变了我国西部地区交通运输落后的状况，为西部地区的矿产开发、产品流转、工业建设、国防建设创造了交通条件。
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在国防工业方面——在重庆地区建成了常规兵器工业生产基地，在四川和贵州建成了电子工业生产基地，在四川和陕西建成了战略武器科研、生产基地，在贵州和陕西、鄂西地区建成了航空和航天工业生产基地，在长江上、中游地区建成了船舶工业科研、生产基地，在西昌建成了卫星试验、发射中心。通过三线建设，将东北、华北地区老军事工业企业的一部分搬迁到西部地区建新厂，基本上达到了将重要军工企业“一分为二”的目的。较高水平的核工业科研生产系统几乎全部放在西部地区。
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原材料、能源工业方面——在西部地区形成了大中小相结合的原材料工业体系，建成了攀枝花钢铁基地、重庆钢铁基地、成都地区钢铁工厂、贵州水城钢铁厂等大型企业，新建了西北铜加工厂、兰州连城铝厂、兰州铝厂、冥河铝镁冶炼加工厂、西北铝加工厂和重庆西南铝加工厂。为了与国防工业配套，还建设了重水、炸药、树脂、橡胶、医药企业，建成了西南炼焦煤基地、西北煤炭基地、平顶山、焦作、鹤壁等矿区，新建10万千瓦以上电站68座。
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机械工业方面——共有241个机械工业工厂、研究所、设计院搬迁到西部地区，后来又新建、扩建大中型项目124个，累计投资94.72亿元，占全国机械工业同期投资的53％。新建了12个重型机械工业制造厂，使西部地区形成了很强的重型机械制造能力。电机电器工业也发展起来，建成了四川东方电机厂、东方汽轮机厂、东方锅炉厂、东风电机厂，形成了年产80万千瓦的发电能力。
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汽车工业方面——新建了第二汽车制造厂、陕西汽车制造厂、四川汽车制造厂，同时新建了一批配套工厂，使西部地区形成了军民结合的轻、重型汽车批量生产的能力。
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轻纺工业方面——造纸、制糖、制盐、自行车、缝纫机、手表、合成洗涤剂、塑料制品、皮革制品、棉纺织、毛纺织、丝绸、印染、针织、化纤、纺织机械等生产企业在西部地区全面铺开。其中，新建5万锭以上的棉纺织厂有7个，大中型维尼纶厂有5个。
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此外，还在西部地区建成了100多个部属储备性仓库，新建了一批高等院校。到20世纪70年代中期，三线企业许多工业产品的产量达到了全国产量的1/3。在三线建设，平地新建了30多座工业城市，著名的有攀枝花、十堰、德阳、六盘水等。
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与上述显赫成就同在的，是三线建设的问题和遗憾。
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在布局上，三线建设以“立即要打仗”为假设前提，实施了“靠山、分散、隐蔽、钻洞”等方针，把每个工厂，甚至每个车间都规划建设得极为分散，有的甚至采取了“村落式”、“瓜蔓式”、“羊拉屎”式布局。贵州的飞机部件装配厂分散布置在9平方公里的庞大范围内，仅锅炉房就有10个。以这种游击战、备战化的方法进行工厂建设，低效率、高投资是可以想见的。
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由于三线建设是计划经济下的产物，上马十分匆忙，规模非常庞大，加上政治动荡、管理混乱等原因，浪费和损失很惊人。据测算，在1966～1978年的12年中，三线项目的损失、浪费及不能发挥效益的资金高达300亿元，占同期国家用于三线资金的18％以上。
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日后，很多领导三线建设的高级官员都从不同角度进行过反思。
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薄一波认为教训有四条：一，对战争的威胁估计过分；二，“散、山、洞”方针有严重的片面性；三，小三线也有很大的浪费——所谓小三线，指的是沿海一些省份也把重要工厂一分为二，往山沟沟里搬，造成生产经营的低效和浪费；四，积累率偏高，工业基建规模过大，使得积累和消费失调的矛盾进一步突出。
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三线建设期间担任物资管理部部长的袁宝华在谈及工厂选址和布局时说：一些工厂的厂址选择不当，厂子的布局不当，把车间给分散了，都跑到山沟里边去了，造成生产上很大的困难。另外，工厂一进山，就得自己养活自己，自己为自己服务，一个厂子就是一个小社会，什么都得管，厂子的负担相当重，成本很高。改革开放以后，这些三线企业根本留不住人了，因为这些地方学校的质量不好。工程技术人员们讲，自己无非献终身了，绝不能再献子孙，无论如何得离开这个地方给孩子的教育找个出路。最后这些工厂大部分都从山里边又搬了出来。袁宝华还以二汽的选址为例说：“最典型的就是第二汽车厂的建设，把这个汽车厂的车间分散到几条山沟里，脑袋上又顶了一个水库（指丹江口水库），造成生产上的困难，这些流程都不那么顺当，可是就当时来说，这是备战的需要。”
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正如袁宝华所描述的，进入20世纪90年代中期以后，随着国家战略调整，大量的三线工厂被废弃，所有员工及家属全搬到离工厂近200公里外省会城市的生活区生活。2008年，一个曾经参加过三线建设的摄影师陈家刚出版了一本《永远的三线》摄影集，他用镜头摄下了一幢幢被废弃的、尘雾缠绕中的三线厂房。他写道：“这些三线工厂地处大西南的深山沟里，当年国家投资几十亿元建设而成，有成千上万人在那里工作和生活。所有的三线工厂都一样，有派出所、学校、医院、邮局，完全是一个完整的小社会。可后来，那里如同一座座鬼城，只有极少数老弱病残的职工在守着那破旧而废弃的厂房。那成排的生活区家属楼空无一人，楼前杂草丛生，那些以前三线人栽种的苹果、梨树全无人管，任由它自生自灭。”
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废弃的三线工厂
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时任国家基本建设委员会主任的谷牧在《谷牧回忆录》中记叙了这样一件事情：到1965年底，主管经济工作的中央领导们已经意识到三线建设的某些弊病，邓小平、李富春（时任国务院副总理兼计委主任）率队对几处重要建设基地进行了考察，12月4日在昆明召开讨论会，谷牧准备了详细的发言提纲，提出了几个供研讨的命题，包括：“一二线有什么工厂，三线也要有”这个要求如何具体落实？建设在三线的工厂要搞到多大规模？“靠山”靠到什么程度，“分散”分到什么程度？哪些项目要“进洞”？三线建设中的轻重工业比例如何掌握？职工家属如何安排，队伍如何保持稳定？等等。
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谷牧回忆说：“我满心期望，这些问题经过讨论后，能得到明确指示，以便具体办理。哪里想到，会议只开了半天，下午就停开了。”停开的原因是，邓小平、李富春被紧急电召到杭州开中央政治局会议，国务院副总理、人民解放军总参谋长罗瑞卿大将突然被“打倒”了，政治气氛变得紧张起来。回到北京后，谷牧去见李富春，说：“昆明那个会什么时候再接着开，有许多问题等待着解决呢！”李富春沉默片刻，慢慢地说：“这桩事可能一时顾不上了。”
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后来的事实是，“这桩事”从此再也没有被顾上过。
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在对三线建设进行历史性审视时，还有一个十分重要的对比现象值得关注。
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自1964年以后，国家把大量资金投入三线地区，从而基本放弃了对东南沿海诸省的投资。据谷牧的回忆，1964年5月底的中央工作会议就决定，“沿海能搬的项目都搬迁，两年内不能见效的续建项目一律缩小建设规模；对沿海增加建设投资的要求一律顶住”。从此以后，浙江、广东及福建作为“台海战争的前线地区”，再没有重大的工业建设项目。到1978年之前，这三个省份得到的中央工业投资总共不到100亿元，相比较，仅甘肃一省，在三线建设时期就得到了155.53亿元的投资。这造成的结果是，东南诸省的国有工业经济长期徘徊不前，国营管制能力薄弱，民间经济比例略重。
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以浙江省为例，从1964年到1978年的十多年中，工业增加值年均增长率仅为1.8％，工业占国民收入的比重只上升了2.7个百分点。在工业总产值中，中央企业和大中型企业所占比重仅为2.6％和16％，比全国分别低了4.2和27.4个百分点，其产业结构呈现出“轻、小、集、加”（轻工业、小企业、集体工业和加工业）的特征。到1978年初，浙江的非国有工业已占到全部工业总产值的38.7％，居全国之首。
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1961年被赶回萧山老家的鲁冠球就是草根创业的典型案例。他后来回忆了自己在那段时期的经历：
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修自行车的生意很清淡，他看到家家吃大麦、小麦都要剥外面的壳，就联合几个人搞了一个粮食加工厂。虽然他们是农村加工服务社的社员，但个体经济那时很不好搞，工厂要用电，但没人给接。这里刚接上，那里又被拔掉。6年里，他的工厂换了7个地方。粮食加工做不好，他又去修自行车，修车做不下去，他去给农民做爆米花用的设备。