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911 恐怖袭击中双子塔为何在短短的燃烧之后就倒塌了?

作者:猪小宝 来源:知乎日报

事实上,世贸双子楼并不是“短短的燃烧之后就倒塌了”,而是坚持了足够长的时间,为很多人提供了宝贵的疏散时间。

至于说“为什么最终会倒塌”,最想让大家弄明白这个问题的答案的,应该就是 LERA 公司,毕竟,自己公司的标志性作品轰然倒地,如果是由于设计原因,那么这个后果将是灾难性的。

在 LERA 的官网上,除了常见的 Home、Projects、News、Contact 之外,还有专门的一栏,叫做“LERA | WTC – Sept. 11, 2001”。LERA 是这么说的:

作为世界贸易中心双子楼的结构设计工程师,LERA 与世贸双子楼之间有着特殊的纽带。修建双子楼的时候,我们的创始人 Leslie E. Roberson 主持了整个结构设计。此后的接近四十年里,我们也一直为双子楼提供专业技术支持,包括 1993 年爆炸案后修复工作。

就在我们的办公室里,我们亲眼目睹了第二架飞机撞上双子楼南塔。跟你们一样,我们无比悲伤和沉痛,因为数千人死于这场灾难……我们忧虑很多朋友的安危,不幸的是,一些朋友在这次袭击中失去了生命。

如 果一架波音 707 在大雾中迷航,偶然撞上了双子楼,我们的设计可以抵御这种撞击。即使是被恐怖分子夺取的波音 767,虽然体型更大、飞行速度更快,依然不能靠撞击来摧毁双子楼。但是,双子楼的消防系统没有能够控制住数千加仑航空燃油引发的大火,事实上,这超越了 消防系统的能力范围。

虽然这场悲剧造成了严重的损失,我们感到庆幸的是,双子楼在坍塌前坚持了足够长的时间,为许多人提供了宝贵的逃生时间。

LERA 还提供了 FEMA 美国联邦紧急事务管理署和 SEI/ASCE 美国土木工程师协会结构工程师分会的联合调查报告 FEMA403 的摘要:http://www.fema.gov/pdf/library/fema403_execsum.pdf

这份报告描述的事故具体过程是这样的:

双子楼被飞机直接撞击的若干个楼层,立即发生了严重的结构破坏,包括局部的坍塌。但除了这个局部之外的其它部位,结构保持完好。 但是,由于飞机撞击大楼,导致飞机上的航空燃料被点燃。撞击产生的巨大火球瞬间消耗了一部分燃油。剩下的燃油沿着楼层流到电梯井和管道井里,在整个建筑的 上半部分引发了大火。随着大火的蔓延,主体钢结构的承载能力被逐渐削弱,最终导致了大楼的整体坍塌。

这份报告提到的双子楼坚持的时间足够长、撤离人员比较多的原因包括:

  • 钢结构体系的 robustness 和 redundancy (鲁棒 / 强健 和 冗余 / 备份)
  • 足够多的带有醒目疏散标志和紧急照明的疏散楼梯
  • 楼内人员认真有序的执行了既定的紧急疏散计划

报告还提到了这次事故所引发的思考包括:

  • 双子楼的钢桁架楼板的 robustness 和 redundancy 与其它结构体系的比较
  • 疏散通道周围是否有必要采用抗撞击的围护措施
  • 在撞击和爆炸下对建筑内部的被动防火措施的保护
  • 疏散通道集中布置在中央核心筒内和分散布置在建筑平面内的比较

报告给出的部分建议包括:

  • 更多的社会资源应该放在航空安全和其它安保措施上,而不是让建筑结构能够抵御类似的飞机撞击
  • 对建筑结构的防火需要做进一步的研究和分析。
  • 在结构工程师和消防工程师之间建立更密切的联系,包括协同设计、互相培训。
  • 重视居民和用户的紧急疏散演习。
  • 普及建筑结构知识,让用户和居民了解基本的建筑法规、规范、设计荷载、以及哪些极端情况是设计时所没有考虑的。
  • 成立一个结构工程紧急响应计划(Structural Engineering Emergency Response Plan),让有专业技术经验的工程师志愿者可以更快更高效的参与到灾难的营救和处理中。

世贸中心双子楼是典型的钢结构框筒,同时也是一个现代主义 / 国际主义建筑的代表作品。框筒体系在国内比较少见,因为牺牲了外墙的开窗面积,所以不太受国内业主青睐。世贸中心双子楼采用了外围密柱框筒,钢框架柱的间 距非常密,照片上很密的竖向线条就是一根根钢框筒柱,而柱子和柱子之间的钢裙梁也非常高,所以开窗面积很小。但是好处是不需要“傻大笨粗”的混凝土筒体, 空间非常宽敞。建筑内部的普通钢柱子只承受竖向荷载,侧向荷载全部由外圈的密柱框筒承担。

一定意义上,防火问题是钢结构的阿喀琉斯之踵。结构钢材在摄氏 600 度左右时,强度已经下降到 50%左右,事实上的承载力可能已经低于实际的负荷;温度达到 1200~1400 度时,钢材丧失全部的结构强度。建筑物上部的重量压下来,就像多米诺骨牌一样,造成建筑结构的整体逐层垮塌。虽然世贸双塔采取了消防保护措施,但在这样的 灾难面前,实在是杯水车薪。

就我个人而言,不管是在结构意义上,还是在建筑意义上,世贸双子楼都非常优雅。如此美丽的东西,却毁于这样的无妄之灾,思之实在是令人心痛。但没办法,人类的愚蠢和狂妄又有谁能解决。至少,这样的灾难不是工程学所应该和能够应对的。

PS: 看了评论和其它回答,再多说一句,直白说,我个人觉得,这种事故根本就不在结构工程学范畴之内。就像核弹可以轻易摧毁一切建筑结构,但我们不可能在结构设计中考虑核爆的冲击力和高温,否则,每栋建筑的造价都是天文数字。如何避免建筑物被核弹摧毁,这是政治家的议题,不是结构工程师的议题。

PS: 很多人质疑“足够长”,质疑“去问问没跑出来的人,什么叫足够长”。

这个“足够长”不是我定义的,是 SEI/ASCE 定义的。当时整个世贸中心共有约 58000 人,事故最终造成 2830 人死亡,其中 403 人为赶来营救的消防人员。我不知道对于这些“义正言辞“的人们,到底多长才算是足够长?

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