世贸大楼倒塌的启示

　　时间：2001年11月16日（周五）晚7：00

　　地点：电教112

　　主讲人：刘西拉（国际建造研究理事会常务委员会委员、世界工程组织联合会教育与培训委员、清华大学土木工程系双语教授、博士生导师）

　　讲座内容:

　　世贸大楼的倒塌在土木工程结构上是一件大事。有人认为世贸中心两栋大楼倒塌，不仅仅是因为两架飞机的撞击，还是因为其它人为的爆炸源导致的。清华大学土木工程系的师生经过分析得出了大楼倒塌的根本原因。下面我就来向大家介绍一下。

　　世贸大楼座落在纽约曼哈顿岛南部。这个地方是1626年英国殖民者从印第安人手中买下来的。1789年华盛顿也是在这个地方担任第一任美国总统的。这个地区从1825年真正发展起来，逐渐形成了世界经贸中心。这个地区有世界著名的华尔街、时代广场、中央公园、哥伦比亚大学等等。纽约的高楼很高，但是纽约高楼最密集的地方则是曼哈顿岛的南部。而位于这个地区的两栋世贸大楼又是当地最高的建筑，所以它们也成为了纽约世贸中心地位的标志。当前世界最高的高楼是位于芝加哥的希尔斯大楼，世贸中心的两栋大楼的高度则是世界第二。

　　在讲这两栋大楼倒塌之前，我们应该对其有一个基本的认识。首先，这两栋楼的高度分别是417米和415米。它们的所有权属于纽约和新泽西港务局。除了这两栋楼外，它们周围还有5个也属于纽约和新泽西港务局的相对较小的建筑。这两栋建筑的建筑师是日本人：Minoru Yamasaki，建筑工程师是：John Skilling，于1966年8月5日破土动工，于1970年至1973年4月开放，1973年4月4日最后剪彩，到2001年9月11日因恐怖分子袭击倒塌。这两栋大楼从落成到倒塌只经历了很短的时间，美国人付了如此昂贵的学费，我们中国人一定要从中得到一定的启示。

　　世贸大楼的结构：世贸大楼属于“筒中筒”（tube in tube）结构。它外面一层“筒”是许多非常密的柱子，里面是用26米见方的混凝土加上大的行钢构成的电梯系统。而每一层楼面是由很多行架（trusses）构成的，而且这些行架外侧搭在外层“筒”的柱子上，内侧搭在内层“筒”的电梯系统上，跨度大约18米。每条行架大约有83公分。它们起到对外层柱子的支撑作用。此外，这些行架上面还铺了一层钢板，钢板上面浇灌了大约15公分的混凝土。外层“筒”的柱子是用银色的铝合金制成的，每根大约有47公分宽，每两根间的距离有55.8公分。这样一来，从外面看，世贸大楼没有窗户，而全部是柱子。柱与柱之间有横梁（每根约1.2米高），用以将柱与柱联系起来。但是因为柱子之间的距离很小，没办法进人，所以，在大楼最下面3层，将三根柱子并作一根，形成拱形。这样，最下面几层柱子之间的距离就达到了3米，成为很好的入口处。世贸大楼的建筑结构功能和建筑艺术都是很有特点的。这种“筒中筒”的结构并不是Minoru Yamasaki首创，在世贸大楼之前，在西雅图也有同样结构的建筑，但是没有世贸大楼这么大的规模。这种“筒中筒”的结构是非常经济的。因为这种结构的基本思想是：大楼的顶部大约要承受4000帕的风压，这种设计可以使得大楼顶部有90公分缓慢的位移。这两栋大楼在最大风压的情况下的最大位移是28公分。这种结构设计最优秀之处在于，中间每一层部分除了电梯井以外的面积大约有4000平方米， 这4000平方米可以任意划分，在其中无论这么建隔断墙都不影响建筑的整体结构。所以说大楼的建筑材料使用很经济。大楼每层的地面板都是预制好，再吊到每一层安装的。从重量上看，每栋大楼每层由10万吨钢、4000平方米4英寸厚的混凝土构成，重量是很重的。整栋大楼的重量大约有100万吨。所以，现在这两栋大楼倒塌后，它们的倒塌物还不能随便搬运走。因为一旦这200万吨的东西被搬走，它们旁边的建筑又有可能倒塌。大楼的设计意图是靠中间的电梯井来承受大楼的整个重量。

　　世贸大楼的基础：它们的基础是一个243米乘127米，深度为19.8米的大基础。在这个大基础上，不仅仅建有这两座世贸大楼，还有5座较小的建筑，而且地铁站就在这两座大楼下面。在这个基础的四周还有一层近一米厚的墙，它不仅用以承受上面建筑的压力，还用以防止海水的侵蚀。所以，在这个基础上的世贸大楼这两栋最高的建筑物倒塌后，7栋建筑中高度第三的另一栋47层高的楼也倒塌了。

　　世贸大楼倒塌的原因：撞击世贸大楼的飞机上都带有30到50吨的燃油，汽油一燃烧，就把它周围的材料都烧化了。烧化了之后，建筑失去了支撑，上面的建筑就砸到下一层建筑上。一个物体“砸”到另一个物体上，和安静地“放”到一个物体上的动力系数相差是很大的，大约有10倍的差距。砸下来之后，下面的建筑无法支撑这么大的重量，就一层一层往下砸。我们可以想像一下砸的过程。如果一个东西砸在一块软的面团上，这块面团就产生了塑性变型，可以吸收大量的压力。但是世贸大楼砸下来的东西是砸在下面一层的楼板上，而且楼板还有钢筋支撑，所以它无法进行塑性变型。所以它能吸收的压力就及其有限。所以，世贸大楼的楼板一层层往下砸，重量越来越大，速度越来越快，动能也越来越大。所以，只要上面的建筑砸到了第一层楼板，就预示着整栋大楼必定要完全倒塌。而且一层层的楼板砸下来，没有任何生存空间，所以生存的可能性是零。这个问题我现在可以给大家解释得很明白，但是9月11日我在电视上看世贸大楼倒塌的镜头时就怎么也想不明白是怎么倒的。当时包括很有经验的美国的消防队员也没有了解这一点。一发现这种情况，大家只能尽全力往外跑，500、600名消防队员还不停地进去救人、救火，只能白白丧生。也有人问：“建筑的材料不是都能防火吗？”确实，高层建筑的防火设施非常重要。高层建筑防火的方法有两种。一种就是在钢材的表面涂一些防火材料。如果要使得这些材料和钢材结合得比较好，涂抹得就不能太厚。而如果涂抹得薄了，它防火的极限就比较小了。这是一对矛盾。另一种方法是喷洒装置。它们的最终目的都是使得消防队员能够有足够的时间进去把火扑灭，同时使得建筑物里的人有时间逃生。但是它们都无法抵挡住30至50吨汽油的燃烧。目前技术条件下，钢材的防火温度只能达到800度，而这次的燃烧肯定达到了800度以上。而且在世贸大楼的建造材料中也没有所谓的燃烧梯度，因为其中有很大一部分是铝合金的材料，传热系数很大。总的来说，世贸大楼的倒塌首先是因为大量燃油的燃烧使得钢筋的强度和钢度丧失和飞机撞击冲击力的破坏造成的。两栋大楼倒塌的基本原因是一样的。在倒塌的过程中，世贸南楼的“脑袋”先发生了倾斜。其原因可能是因为燃烧时使得温度场不均匀使得一部分钢材和铝合金先发生了扭曲。如果说建筑要考虑飞机撞击的荷载的话，只有核电站才能达到这样的标准。德国就曾经试验用一架波音飞机撞击核电站的反应堆。

　　大家都知道东西燃烧就会化，也知道势能会转化为动能，也知道动荷载要大于静荷载。大家懂得的常常都是纵向的东西。但是世界上发生的事情常常是横向的。这样一来大家就反应不过来了。这种事情在世贸大楼倒塌之前还有例子。在唐山地震之前，北京的房子几乎没有防震的考虑。到了唐山地震之后才吸取了教训。所以说大自然常常都在教育人类，但是人类常常却不能主动地适应大自然发生的问题。

　　1993年曾经有恐怖份子世贸大楼里引爆炸弹。当时是在世贸北楼的地下室里。那次爆炸炸坏了北楼的三层楼板，但是没有影响整栋大楼的基本结构。因此给人们一个印象，认为这栋楼是不可能被催垮的。

　　至于为什么世贸大楼旁边那栋47层的楼也倒塌。其原因是因为它和两栋世贸大楼都建立在一个基础之上。两栋世贸大楼倒塌，上百万吨荷载的变动，不亚于一次小型地震，所以它们街对面的47层的楼也倒塌了。

　　对世贸大楼倒塌的反思：

　　曼哈顿岛南部的高楼区形成是从1825年开始的，是资本主义积累了100多年而形成的。所以，这个地区的建筑物非常集中。建筑物集中，人就集中。人一集中，财富就集中。财富一集中，风险也就集中，这是美国人自己造成的一个怪圈。换句话来说，我们是否还有必要像曼哈顿岛南部这样将如此多的建筑、人、财富集中到一个地区？这样还会造成交通的堵塞、环境污染、热岛效应等等随之而来的种种问题。世贸大楼的悲剧正是美国人几百年来给自己设置的一个怪圈导致的。我觉得我们中国人应该比他们聪明，让这种怪圈还没有开始就不让它存在。但是我们还有重导美国复辄的趋势。在上海浦东，我们建有东方明珠、金茂大厦。现在在金茂大厦的旁边又正在修一栋世界第一高楼——环球金融中心。在北京马上要盖奥林匹克中心。

　　我觉得城市规划大概有3个时期。开始是把坚固的城墙修到城市的外围，人们的活动都在城墙里面。保卫了城墙就等于保卫了人们的生活环境。这个时候的城墙就象蛋壳，而城市就象一个煮鸡蛋。这就是第一代的城市建设模式。后来的城市建设发展模式是，保留古城，向城市外围发展。巴黎就是这种发展模式。而北京是把古城墙和古城内的牌楼都拆了，再修二环、三环、四环、五环路。这种“环”法就成了“煎鸡蛋”了。这种模式存在的很大问题是，它的思想是要把城外的人口和车辆向城中心集中，而城中心又不能建高楼。这样不可避免地会在城中心形成交通的堵塞，修多少路都没有用。现在可行的模式是，在老城外修建众多的小区。每个小区有自己的系统，没有必要让人口都集中到市中心。这就是“炒鸡蛋”的模式。伦敦就是这样的设计模式。

　　第二个反思：我们过去要想使得一个建筑的安全性增加，通常的方法是增加它的安全系数。要想它的建筑质量高，总是增加它施工过程中的安全。但是我们有一个问题想得比较少，那就是一个建筑中只要出现了一个疏漏，就会引起整个结构坍塌。这是我们在结构工程上需要反思的问题。比如在美国就曾经出现过这样一个工程事故：本来一个屋顶和柱子连成了一个门式钢架，钢架上有足够的钢筋，钢筋还被箍筋箍住。但是一个裂缝就偏偏从两根钢筋之间穿过。问题就一下子出来了。有裂缝的一边断裂了，最后整栋楼都垮掉了。这就是一个部位出问题引起全盘垮掉的例子。这在设计当中应该注意。再比如，前段时间宜宾有一座桥断了。但是那座桥仅仅是桥板断裂，不会引起整座桥倒塌。但是如果是斜拉桥的话，它的桥面板不仅仅要受车的重量的压力，还要受压。这时一旦某一个桥面板损坏，整座桥都会瘫痪。

　　以上就是世贸大楼的倒塌启发我引起的两个反思。

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