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世貿(mào)大樓倒塌的啟示

發(fā)布時間:2020-05-20 來源: 日記大全 點擊:

  時間:2001年11月16日(周五)晚7:00

  地點:電教112

  主講人:劉西拉(國際建造研究理事會常務委員會委員、世界工程組織聯(lián)合會教育與培訓委員、清華大學土木工程系雙語教授、博士生導師)

  講座內(nèi)容:

  世貿(mào)大樓的倒塌在土木工程結(jié)構(gòu)上是一件大事。有人認為世貿(mào)中心兩棟大樓倒塌,不僅僅是因為兩架飛機的撞擊,還是因為其它人為的爆炸源導致的。清華大學土木工程系的師生經(jīng)過分析得出了大樓倒塌的根本原因。下面我就來向大家介紹一下。

  世貿(mào)大樓座落在紐約曼哈頓島南部。這個地方是1626年英國殖民者從印第安人手中買下來的。1789年華盛頓也是在這個地方擔任第一任美國總統(tǒng)的。這個地區(qū)從1825年真正發(fā)展起來,逐漸形成了世界經(jīng)貿(mào)中心。這個地區(qū)有世界著名的華爾街、時代廣場、中央公園、哥倫比亞大學等等。紐約的高樓很高,但是紐約高樓最密集的地方則是曼哈頓島的南部。而位于這個地區(qū)的兩棟世貿(mào)大樓又是當?shù)刈罡叩慕ㄖ,所以它們也成為了紐約世貿(mào)中心地位的標志。當前世界最高的高樓是位于芝加哥的希爾斯大樓,世貿(mào)中心的兩棟大樓的高度則是世界第二。

  在講這兩棟大樓倒塌之前,我們應該對其有一個基本的認識。首先,這兩棟樓的高度分別是417米和415米。它們的所有權(quán)屬于紐約和新澤西港務局。除了這兩棟樓外,它們周圍還有5個也屬于紐約和新澤西港務局的相對較小的建筑。這兩棟建筑的建筑師是日本人:Minoru Yamasaki,建筑工程師是:John Skilling,于1966年8月5日破土動工,于1970年至1973年4月開放,1973年4月4日最后剪彩,到2001年9月11日因恐怖分子襲擊倒塌。這兩棟大樓從落成到倒塌只經(jīng)歷了很短的時間,美國人付了如此昂貴的學費,我們中國人一定要從中得到一定的啟示。

  世貿(mào)大樓的結(jié)構(gòu):世貿(mào)大樓屬于“筒中筒”(tube in tube)結(jié)構(gòu)。它外面一層“筒”是許多非常密的柱子,里面是用26米見方的混凝土加上大的行鋼構(gòu)成的電梯系統(tǒng)。而每一層樓面是由很多行架(trusses)構(gòu)成的,而且這些行架外側(cè)搭在外層“筒”的柱子上,內(nèi)側(cè)搭在內(nèi)層“筒”的電梯系統(tǒng)上,跨度大約18米。每條行架大約有83公分。它們起到對外層柱子的支撐作用。此外,這些行架上面還鋪了一層鋼板,鋼板上面澆灌了大約15公分的混凝土。外層“筒”的柱子是用銀色的鋁合金制成的,每根大約有47公分寬,每兩根間的距離有55.8公分。這樣一來,從外面看,世貿(mào)大樓沒有窗戶,而全部是柱子。柱與柱之間有橫梁(每根約1.2米高),用以將柱與柱聯(lián)系起來。但是因為柱子之間的距離很小,沒辦法進人,所以,在大樓最下面3層,將三根柱子并作一根,形成拱形。這樣,最下面幾層柱子之間的距離就達到了3米,成為很好的入口處。世貿(mào)大樓的建筑結(jié)構(gòu)功能和建筑藝術(shù)都是很有特點的。這種“筒中筒”的結(jié)構(gòu)并不是Minoru Yamasaki首創(chuàng),在世貿(mào)大樓之前,在西雅圖也有同樣結(jié)構(gòu)的建筑,但是沒有世貿(mào)大樓這么大的規(guī)模。這種“筒中筒”的結(jié)構(gòu)是非常經(jīng)濟的。因為這種結(jié)構(gòu)的基本思想是:大樓的頂部大約要承受4000帕的風壓,這種設計可以使得大樓頂部有90公分緩慢的位移。這兩棟大樓在最大風壓的情況下的最大位移是28公分。這種結(jié)構(gòu)設計最優(yōu)秀之處在于,中間每一層部分除了電梯井以外的面積大約有4000平方米, 這4000平方米可以任意劃分,在其中無論這么建隔斷墻都不影響建筑的整體結(jié)構(gòu)。所以說大樓的建筑材料使用很經(jīng)濟。大樓每層的地面板都是預制好,再吊到每一層安裝的。從重量上看,每棟大樓每層由10萬噸鋼、4000平方米4英寸厚的混凝土構(gòu)成,重量是很重的。整棟大樓的重量大約有100萬噸。所以,現(xiàn)在這兩棟大樓倒塌后,它們的倒塌物還不能隨便搬運走。因為一旦這200萬噸的東西被搬走,它們旁邊的建筑又有可能倒塌。大樓的設計意圖是靠中間的電梯井來承受大樓的整個重量。

  世貿(mào)大樓的基礎:它們的基礎是一個243米乘127米,深度為19.8米的大基礎。在這個大基礎上,不僅僅建有這兩座世貿(mào)大樓,還有5座較小的建筑,而且地鐵站就在這兩座大樓下面。在這個基礎的四周還有一層近一米厚的墻,它不僅用以承受上面建筑的壓力,還用以防止海水的侵蝕。所以,在這個基礎上的世貿(mào)大樓這兩棟最高的建筑物倒塌后,7棟建筑中高度第三的另一棟47層高的樓也倒塌了。

  世貿(mào)大樓倒塌的原因:撞擊世貿(mào)大樓的飛機上都帶有30到50噸的燃油,汽油一燃燒,就把它周圍的材料都燒化了。燒化了之后,建筑失去了支撐,上面的建筑就砸到下一層建筑上。一個物體“砸”到另一個物體上,和安靜地“放”到一個物體上的動力系數(shù)相差是很大的,大約有10倍的差距。砸下來之后,下面的建筑無法支撐這么大的重量,就一層一層往下砸。我們可以想像一下砸的過程。如果一個東西砸在一塊軟的面團上,這塊面團就產(chǎn)生了塑性變型,可以吸收大量的壓力。但是世貿(mào)大樓砸下來的東西是砸在下面一層的樓板上,而且樓板還有鋼筋支撐,所以它無法進行塑性變型。所以它能吸收的壓力就及其有限。所以,世貿(mào)大樓的樓板一層層往下砸,重量越來越大,速度越來越快,動能也越來越大。所以,只要上面的建筑砸到了第一層樓板,就預示著整棟大樓必定要完全倒塌。而且一層層的樓板砸下來,沒有任何生存空間,所以生存的可能性是零。這個問題我現(xiàn)在可以給大家解釋得很明白,但是9月11日我在電視上看世貿(mào)大樓倒塌的鏡頭時就怎么也想不明白是怎么倒的。當時包括很有經(jīng)驗的美國的消防隊員也沒有了解這一點。一發(fā)現(xiàn)這種情況,大家只能盡全力往外跑,500、600名消防隊員還不停地進去救人、救火,只能白白喪生。也有人問:“建筑的材料不是都能防火嗎?”確實,高層建筑的防火設施非常重要。高層建筑防火的方法有兩種。一種就是在鋼材的表面涂一些防火材料。如果要使得這些材料和鋼材結(jié)合得比較好,涂抹得就不能太厚。而如果涂抹得薄了,它防火的極限就比較小了。這是一對矛盾。另一種方法是噴灑裝置。它們的最終目的都是使得消防隊員能夠有足夠的時間進去把火撲滅,同時使得建筑物里的人有時間逃生。但是它們都無法抵擋住30至50噸汽油的燃燒。目前技術(shù)條件下,鋼材的防火溫度只能達到800度,而這次的燃燒肯定達到了800度以上。而且在世貿(mào)大樓的建造材料中也沒有所謂的燃燒梯度,因為其中有很大一部分是鋁合金的材料,傳熱系數(shù)很大。總的來說,世貿(mào)大樓的倒塌首先是因為大量燃油的燃燒使得鋼筋的強度和鋼度喪失和飛機撞擊沖擊力的破壞造成的。兩棟大樓倒塌的基本原因是一樣的。在倒塌的過程中,世貿(mào)南樓的“腦袋”先發(fā)生了傾斜。其原因可能是因為燃燒時使得溫度場不均勻使得一部分鋼材和鋁合金先發(fā)生了扭曲。如果說建筑要考慮飛機撞擊的荷載的話,只有核電站才能達到這樣的標準。德國就曾經(jīng)試驗用一架波音飛機撞擊核電站的反應堆。

  大家都知道東西燃燒就會化,也知道勢能會轉(zhuǎn)化為動能,也知道動荷載要大于靜荷載。大家懂得的常常都是縱向的東西。但是世界上發(fā)生的事情常常是橫向的。這樣一來大家就反應不過來了。這種事情在世貿(mào)大樓倒塌之前還有例子。在唐山地震之前,北京的房子幾乎沒有防震的考慮。到了唐山地震之后才吸取了教訓。所以說大自然常常都在教育人類,但是人類常常卻不能主動地適應大自然發(fā)生的問題。

  1993年曾經(jīng)有恐怖份子世貿(mào)大樓里引爆炸彈。當時是在世貿(mào)北樓的地下室里。那次爆炸炸壞了北樓的三層樓板,但是沒有影響整棟大樓的基本結(jié)構(gòu)。因此給人們一個印象,認為這棟樓是不可能被催垮的。

  至于為什么世貿(mào)大樓旁邊那棟47層的樓也倒塌。其原因是因為它和兩棟世貿(mào)大樓都建立在一個基礎之上。兩棟世貿(mào)大樓倒塌,上百萬噸荷載的變動,不亞于一次小型地震,所以它們街對面的47層的樓也倒塌了。

  對世貿(mào)大樓倒塌的反思:

  曼哈頓島南部的高樓區(qū)形成是從1825年開始的,是資本主義積累了100多年而形成的。所以,這個地區(qū)的建筑物非常集中。建筑物集中,人就集中。人一集中,財富就集中。財富一集中,風險也就集中,這是美國人自己造成的一個怪圈。換句話來說,我們是否還有必要像曼哈頓島南部這樣將如此多的建筑、人、財富集中到一個地區(qū)?這樣還會造成交通的堵塞、環(huán)境污染、熱島效應等等隨之而來的種種問題。世貿(mào)大樓的悲劇正是美國人幾百年來給自己設置的一個怪圈導致的。我覺得我們中國人應該比他們聰明,讓這種怪圈還沒有開始就不讓它存在。但是我們還有重導美國復輒的趨勢。在上海浦東,我們建有東方明珠、金茂大廈,F(xiàn)在在金茂大廈的旁邊又正在修一棟世界第一高樓——環(huán)球金融中心。在北京馬上要蓋奧林匹克中心。

  我覺得城市規(guī)劃大概有3個時期。開始是把堅固的城墻修到城市的外圍,人們的活動都在城墻里面。保衛(wèi)了城墻就等于保衛(wèi)了人們的生活環(huán)境。這個時候的城墻就象蛋殼,而城市就象一個煮雞蛋。這就是第一代的城市建設模式。后來的城市建設發(fā)展模式是,保留古城,向城市外圍發(fā)展。巴黎就是這種發(fā)展模式。而北京是把古城墻和古城內(nèi)的牌樓都拆了,再修二環(huán)、三環(huán)、四環(huán)、五環(huán)路。這種“環(huán)”法就成了“煎雞蛋”了。這種模式存在的很大問題是,它的思想是要把城外的人口和車輛向城中心集中,而城中心又不能建高樓。這樣不可避免地會在城中心形成交通的堵塞,修多少路都沒有用,F(xiàn)在可行的模式是,在老城外修建眾多的小區(qū)。每個小區(qū)有自己的系統(tǒng),沒有必要讓人口都集中到市中心。這就是“炒雞蛋”的模式。倫敦就是這樣的設計模式。

  第二個反思:我們過去要想使得一個建筑的安全性增加,通常的方法是增加它的安全系數(shù)。要想它的建筑質(zhì)量高,總是增加它施工過程中的安全。但是我們有一個問題想得比較少,那就是一個建筑中只要出現(xiàn)了一個疏漏,就會引起整個結(jié)構(gòu)坍塌。這是我們在結(jié)構(gòu)工程上需要反思的問題。比如在美國就曾經(jīng)出現(xiàn)過這樣一個工程事故:本來一個屋頂和柱子連成了一個門式鋼架,鋼架上有足夠的鋼筋,鋼筋還被箍筋箍住。但是一個裂縫就偏偏從兩根鋼筋之間穿過。問題就一下子出來了。有裂縫的一邊斷裂了,最后整棟樓都垮掉了。這就是一個部位出問題引起全盤垮掉的例子。這在設計當中應該注意。再比如,前段時間宜賓有一座橋斷了。但是那座橋僅僅是橋板斷裂,不會引起整座橋倒塌。但是如果是斜拉橋的話,它的橋面板不僅僅要受車的重量的壓力,還要受壓。這時一旦某一個橋面板損壞,整座橋都會癱瘓。

  以上就是世貿(mào)大樓的倒塌啟發(fā)我引起的兩個反思。

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