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走马上任
1946年，我东北民主联军经过“四平保卫战”，沉重地打击了敌人，但部队也有较大伤亡。因为没有根据地，加之力量悬殊，我军主动撤出了松花江以南广大地区。６月，根据中央决定，东北局进行了改组。新的东北局在哈尔滨召开了会议，做出了有历史意义的“七七决议”，开始广泛发动群众进行土地改革，组织兵力剿匪，加速了根据地的建设。各主力部队也迅速得到补充与扩大。此时，经罗荣桓推荐，中央军委批准，学成归国的刘亚楼出任东北民主联军参谋长。原参谋长伍修权任第二参谋长，主管军工生产。
刘亚楼上任后便抓紧时间熟悉情况。他感到，虽然我军在抗日战争时期各部队已经有了司令部，但司令部组织机构和业务很简单。当时司令部的干部都是由关内各根据地调到东北的部队临时抽调的，来自五湖四海。他们虽然有工作热情，但思想作风、工作经验均有差异，且普遍业务素质较低，组织很不健全，分工也不明确。司令部机关的几个主要部门特别是情报和通讯基本处于敌情不明、上下不通的状态，工作比较被动。
刘亚楼认为，司令部要适应复杂的战争形势，适应游击战向运动战的战略转变，必须健全组织机构，加强业务建设，提高作战指挥的能力。他首先抓了情报部门的组织充实和业务建设。把关内来的、凡是做过情报工作的干部集中起来，成立了技术侦察部门，加强了司令部的侦察队伍和技术训练。这一手抓得及时，抓住了要害，收到了实效。在以后的三下江南，夏、秋、冬季攻势及辽沈、平津战役中，情报部门能及时提供敌情动向，使各级指挥员能不失时机地指挥部队完成围歼敌人的任务。
同时，他在司令部设军务部门负责兵员补充，装备调配（还监管干部的调配）；设训练部门（当时主管作战经验的收集、总结、推广等）和地图科，在哈尔滨地段街办起了一个印刷厂，很快印出了第一批军用地图下发各级指挥机关。为了加强地图科建设，刘亚楼报总部批准，从部队抽调了一批具有一定文化基础的战士，以从伪满接收过来的技术人员为骨干，在勃利县成立了测绘学校（解放军测绘学院前身），解决了绘制地图的专门人才。
他还狠抓通讯部队建设。当时通讯部队来自全国各根据地，通讯器材、技术人员、报务员严重匮乏，加之现有器材规格不一，人员技术参差不齐，工作纪律也很不严格，直接影响了战场指挥。
刘亚楼知道通讯部门进行了大量的整顿工作，组织新的通讯网络，严肃通讯纪律，根据当时的技术条件，很快建立了一支得心应手的通讯队伍。
与此同时，刘亚楼根据领导层的分工对当时部队的工兵、炮兵、装甲兵、航空兵工作给予指导。他任东北航校校长期间（这时他还兼任俄文学校、参谋学校校长），不等不靠，自力更生，埋头苦干，提出“短小精干，持久延长”的办校思想，为我军空军建设培养了人才，保留了骨干。特别在炮兵建设方面，他全力支持朱瑞司令工作，在炮兵使用和步炮协同作战上花费了大量心血，经他不懈的努力，东北民主联军的炮兵得到迅速发展。
在司令部业务建设方面，刘亚楼为培养充实基层参谋人员，从部队抽调了100名具有高小、初中文化程度的连排干部，连同司令部原有的参谋人员，在哈尔滨连续办了三期参谋集训队，每期六个月，他多次亲自授课。每次学习期满，考试合格发结业证书。这些经过培训的参谋人员，均成为后来部队参谋工作的骨干。
刘亚楼的参谋长工作非常辛苦繁忙，为了弥补学习材料的不足，他利用夜晚休息时间，亲自翻译了俄文版的《红军野战参谋业务条令》，下发到民主联军团以上司令部，参谋人手一册。尽管苏军参谋业务与我军司令部工作不尽相同，但在当时环境下，这部条令对规范司令部业务起到了很大的指导作用。
刘亚楼很注意根据战局发展变化，收集总结参谋工作中出现的问题。有针对性地提出工作意见。司令部机关的工作直接面对首长和部队，责任重大，繁琐细致，对人员素质要求很高。在频繁而艰苦的战争环境下，由于思想工作跟不上，一些司令部机关人员不安心工作，嫌机关发展慢，级别低，要求下部队。个别人甚至说什么“宁为鸡头，不为牛后”。根据这些反映，刘亚楼一方面做思想工作，一方面采取措施注意解决实际问题，保证了参谋人员的相对稳定。
建设有头脑的领导机关
1947年夏季攻势历时50天，东北民主联军歼敌８万余人，收复县城42座，解放敌占区16．6万平方公里，控制铁路线2500公里，使中长铁路陷入瘫痪。东北战场战略主动权发生了转变，但也存在一些问题。为了及时总结经验教训，刘亚楼建议召开了第一次参谋工作会议。刘亚楼主持会议，他充分发扬民主，广泛听取到会同志的批评和建议，然后根据参谋人员反映的“四多四少”（使用多培养少、批评多表扬少，碰钉子多撑腰少，任务多级别少），从思想教育入手，解决实际问题。在他的建议下，师以上司令部建立了直属政治机关（目前我军仍沿用），以加强对参谋人员的思想领导；明确参谋人员的行政级别，以适当提高参谋人员的政治、生活待遇；对一些不重视参谋工作的领导进行了批评。此举调动了参谋人员的积极性，稳定了司令部机关队伍。
随着夏、秋、冬攻势的胜利，东北部队开展了以“五整一查”的新式整军运动。1948年１月，中央军委命令成立东北军区，东北民主联军改称东北人民解放军，刘亚楼被任命为第一参谋长。３月，东北人民解放军召开了第二次参谋工作会议。军区所辖纵队、师两级参谋长及纵队、师司令部作战、侦察、通讯、管理、机要科长近300人参加了会议。刘亚楼对当前的作战特点进行了总结，即：集中行动与作战规模越来越大；攻坚战比运动战增多；战斗的复杂性和技术性增强，战役的空隙时间变短等。以东野总部确定的“大兵团、正规化、攻坚战”为主题，从三方面（情况、任务、几个具体问题的回答）分21个专题做了报告，使各级司令部为今后的作战任务做好充分的精神物质准备。
刘亚楼在日常工作中很注意培养司令部机关的工作作风。他强调工作效率，厌恶办事拖拉，要求各部门做到“今日事今日毕”，对部队提出的问题要有问必答。作战指挥部门要密切协同，尽量减少工作环节上占用过多的时间。通过严格管理，“东野”机关形成了良好的工作作风。首长下达命令，作战部门在起草文件的过程中就通知机要部门做好译电准备；机要部门当即通知电台沟通与有关部队的联络。在大兵团的运动战中，上级命令能迅速传达到部队，对捕捉战机、保证战斗胜利是至关重要的。
在战斗、战役最紧张的时候，刘亚楼将司令部有关科长派到首长处值班，以便及时掌握情况，增加工作主动性。他还非常注意及时地向有关方面通报战况，以取得各方的配合与支持。当时东北局在哈尔滨，“东野”司令部在双城，刘亚楼要求作战部门每天必须将战况和首长作战意图复写后送东北局和政治部主任谭政，使各方面工作都能与前线密切配合。
刘亚楼在部队建立了正规的报告制度。每到一地必须报告自己的位置和当前的情况。他要求司令部作战部门必须做到对每个部队（当时要求到师和个别执行重要任务的团）的时间、地点、在做什么要随时掌握，否则就是失职。因此，参谋人员把部队位置及时标到“东野”作战指挥用的地图上，做到有问必答。由于我军由长期的游击战争环境转换为大兵团运动战，一些部队难改游击习气，开始有不少人对这种报告制度很不习惯，部队情况经常迟迟不报，影响了统一的指挥和协调。刘亚楼与这种不良行为进行了坚决斗争。他规定，各部队作战部门每到一地，首要任务是给电台选择位置，架设电台与总部联络，报告自己的位置，包括部队行军过程中的休息也要这样做。不及时报告，参谋长就要负责任。经过半年多的要求，甚至对个别屡教不改的参谋长指名道姓地批评，才使“东野”部队养成了良好的报告习惯。
在作战指挥上，他不愿过多干扰上级，但发现问题就及时提出。如辽沈战役中，华北敌人向葫芦岛增兵，在“攻锦”问题上林彪曾一度产生过顾虑，给中央军委发电报想回师长春。刘亚楼觉得不妥，他及时找罗荣桓政委商量，然后一起提出意见，林彪很快改变了决心，将原先电报作废，继续决定攻打锦州。
他对“东野”的战术原则，能根据作战实践和部队需要进行总结归纳。譬如当时城市攻坚战如何在主要突击方向上组织有效的战斗，我军缺少一套行之有效的战法。他根据一些部队成功经验提出了“四组一队”（爆破组、突击组、火力组、支援组、战斗队），提醒部队在主要突击方向上必须根据敌人的防御特点严密组织。这个提法，作为一项战术原则，被“东野”在攻坚战中广泛使用。
刘亚楼在指挥中善于通过对小问题的发现，看到战术运用的重大原则。他非常重视炮兵使用的一般原则、火力组织、协同动作，多次在各种会议上讲解示范，指导部队运用于实践。但他更重视对炮兵战术技术的具体运用。一次“东野”派一加农炮连对松花江陶赖昭铁桥头的坚固碉堡进行轰击。刚开始炮兵按教程规定做较远距离射击，效果不理想，后来炮兵在没有敌情顾虑的情况下，将大炮推到离敌很近的距离上，从炮膛内直接瞄准射击，命中率一下提高50％。他抓住这个典型战例，提出我军炮兵在有条件的情况下，要尽量抵近射击。这项要求在“东野”以后的攻坚战中起到重要作用，部队也确实尝到了甜头，并在实战中大胆发挥。在锦州、天津攻坚战中，我军炮兵通过堑壕迫近敌阵前沿，有的大炮甚至接近到手榴弹投掷距离上直接瞄准轰击，不仅大大提高了命中率，而且节省了弹药，更重要的是给予敌人心理上的震撼。敌人惊呼：“共军的仗是怎么打的，大炮都顶到我们脑门上了。”我军将士则欢呼：“我们的大炮上刺刀了，炮兵万岁！”
对辽沈战役发动的战略佯动和隐蔽伪装，刘亚楼知道司令部做了大量工作。对于部队开始行动时间采取了严格保密措施，组织了十分逼真的无线电佯动和无线电静默。为了做到这一点，他指挥各部队用原有电台在原驻地正常工作，给敌人以“东野”尚未行动的错觉。而各纵队携带新的电台，夜行晓伏隐蔽地向锦州开进，在到达指定地点前不准出现空中信号。在东北我军控制区频繁放出攻打长春的信号，少量围困长春的部队晚上向南、向西、向东运动，白天又回头向长春开进，暴土扬尘，给敌人空中侦察造成我军继续向长春集结兵力的错觉。对铁路运输也做出周密安排。南进部队白天分散在小站上待避，夜间则鱼贯前进，向北开的都是部队运到后北返的空车。“东野”前线指挥所9月21日乘火车从双城向前线开进，为造成敌人错觉，火车先向北开哈尔滨，经短暂停留后，向东南牡丹江方向行驶，然后掉头西返，经齐齐哈尔、白城子南下。在锦州战役打响前，许多部队都不知道具体任务，直到大部分部队已到锦州城下，总部才发布协同命令。而直到兵临锦州城下，卫立煌、范汉杰才蓦然醒悟“东野”的意图。这不能不说明刘亚楼严密的组织工作，隐蔽了战役企图，保证了整个战役的胜利。
城市攻坚战
攻克天津之战，我军气势如虹，摧枯拉朽，只用了29小时，全歼守敌13万，创造了我军攻坚战斗中时间最短、歼敌最多的典型战例。而刘亚楼战前在天津杨柳青巧施迷魂阵，造成陈长捷判断失误，更将大战前的序幕衬托得风生水起，绘声绘色，也为他的军事指挥生涯增添了不少传奇色彩。
战役初期，在先打塘沽还是先打天津的问题上，“东野”指挥部与中央军委曾有过一段权衡利弊的过程。
1948年11月2日，我东北人民解放军连续作战52天，结束了辽沈战役，解放了东北全境，此时东北人民解放军已改称中国人民解放军第四野战军。为了把傅作义集团抑留于平津地区就地歼灭，11月18日18时，中央军委紧急电令林彪、罗荣桓、刘亚楼：“望你们立即令纵队以一二天时间完成出发准备，于21日或22日全军或至少8个纵队取捷径以最快速度行进，突然包围唐山、塘沽、天津三处敌人，不使逃跑，并争取中央军不战投降。”
接电令后，“四野”立即做出反应。一个完整严密的、百万人马多路梯次入关的命令有条不紊地传达到各纵队。四野官兵鞍马未卸，便匆匆告别硝烟未尽的白山黑水，各纵队克服困难，不怕疲劳，不怕减员，不怕受冻受饥，以迅速的奔袭行动，大胆插入北平、天津、塘沽、唐山地区。在华北野战军配合下，提前24小时完成了中央军委合围平津的部署，将傅作义集团60万军队紧紧包围起来。
为了防止京津敌人从海陆溃逃，中央军委命令“四野”：“先打塘沽，后取天津，而且要快。”作为平津战役全局，这种部署无疑是正确的。四野根据军委命令火速部署第七、第二、第九纵队共10个师兵力夺取塘沽、大沽、封锁出海口。但是，在执行命令过程中却遇到了意想不到的困难。
塘沽，位于渤海湾，距天津约45公里，是华北地区的重要港口，也是平津国民党军队出海的唯一通道。为了确保塘沽、天津，傅作义将两地划为一个守备区——津塘守备，由国民党第十七兵团司令侯镜如任司令，天津警备司令陈长捷任副司令。侯镜如根据塘沽的特殊地形，在塘沽、大沽之间的纵深地区屯兵5万；将自己司令部设在“重庆号”巡洋舰上，由国民党第一舰队十数艘舰船，组成庞大的海上集群协同防守，攻可增强机动火力，退能提供必要的掩护和运输。
塘沽地形开阔，海沟纵横，盐田冬不结冰无法徒涉，兵力很难展开，且无险可守。四野七纵进行试探性攻击伤亡很大。20师攻击海滩车站，歼敌700人，自己伤亡600人。七纵一部配合二纵攻击塘沽西北的新河镇，歼敌140人，自己伤亡400人。二纵、九纵趁海水退潮构筑工事，潮水一来，前功尽弃。部队对大沽守敌攻击，敌人火力密集，又遭海上敌舰炮火拦阻轰击，部队在没有任何工事屏障的情况下攻击，伤亡惨重，多次突击均未成攻。这种得不偿失的消耗仗打下去，无疑会延误整个平津战役的进程，“四野”指挥层感到巨大压力。此时，身为参谋长的