9/11事件震惊了世界。在那一天之前，我们无法想象有人会如此大胆和残忍地实施如此暴力。我们无法想象两座标志性的110层摩天大楼会在美国城市中心倒塌，在各个方向数百英尺范围内撞击和压碎其他建筑物。我们问自己：“这怎么可能发生？它们怎么会倒塌？” 这些都是自然而然的问题，表达了我们在那天感受到的巨大损失。
结构工程师也问了这些问题，但他们也提出了一个对比鲜明的问题：世界贸易中心大楼是如何在袭击中支撑下来的，即使只是短暂的支撑？破坏是广泛的。以接近最高速度飞行的商用飞机撞击了大楼，在外墙上切开了宽阔的裂口，并造成了广泛的内部破坏。难道这还不足以立即导致倒塌吗？
双子塔的设计目的不是为了抵抗它们所经历的那种破坏。充其量，在设计时，人们担心失控的飞机可能会意外撞击其中一座塔楼。工程师可能认为，任何一座建筑物内的火灾都可能仅限于一层楼，并且洒水系统会正常工作。
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我们看到的情况截然不同。许多关键结构构件瞬间被摧毁，多层楼同时燃起大火，洒水器也被毁坏。建筑物之所以能够屹立不倒，尽管只是短暂的，主要是因为它们的结构具有支撑重量的冗余机制。
您已经看过 9/11 事件前塔楼的照片。外墙有狭窄的窗户，两侧是间距异常紧密的钢柱。在地板层还有深梁，形成了覆盖建筑物表面的密集的钢制格栅。
大部分焊接是在场外进行的。三层楼高、三列宽的格栅面板在工厂预制，然后运到曼哈顿市中心。为了增强强度，这些面板在垂直方向上交错排列，就像拼图的碎片一样，因此它们的所有顶部和底部不在同一楼层水平对齐。
每栋建筑物的四个侧面形成一个带有窗槽的管子。这个管子的设计目的是将建筑物及其内部物体的重量直接向下传递到地基。墙壁充当垂直梁，像建筑物一样宽而高，弯曲到侧面以吸收风荷载。
当飞机在外墙上切断几排柱子和梁时，损坏上方区域的格栅形成了几层楼深的水平梁，以跨越裂口。与此同时，损坏的外墙部分悬挂在上方结构上。
间距紧密的结构构件的强度使得墙壁能够稍微下垂而不会完全失效。在这种状态下，屹立的塔楼使得碰撞楼层下方和周围建筑物中的许多居住者得以逃生。
最终，当塔楼内部的强烈火灾削弱了支撑外墙的地板系统时，破坏最终发生。当墙壁屈曲时，建筑物上部像积木一样坠落，并在坠落时被驱动穿过下层楼层，很像斧头头劈开木头一样。
我们也知道五角大楼在 9/11 事件中也遭到了飞机袭击。可能不太为人所知的是，一些受损区域在倒塌前支撑了大约 20 分钟。五角大楼有五层楼高，一架飞机撞击了其一楼，削弱了那里的许多柱子以及上面一层楼的几根柱子。然而，它支撑了足够长的时间，让上面三层的所有人在倒塌前撤离。
五角大楼具有钢筋混凝土框架，带有“双向”地板系统：梁在柱子之间双向延伸，提供支撑重量的辅助机制。当柱子被摧毁时，上方的建筑物下垂。但是纵横交错的地板梁充当了一个网，支撑着损坏区域的上方。
基本上所有的混凝土柱子，包括五角大楼的柱子，都包裹着嵌入式竖向钢筋，这些钢筋与混凝土一起承受重量。混凝土柱子还具有水平钢筋，这些钢筋包裹并支撑竖向钢筋，并将混凝土约束在中间。正如 20 世纪 40 年代五角大楼建造时常见的那样，水平钢筋被弯曲成螺旋形，围绕竖向钢筋一圈又一圈地缠绕，贯穿每根柱子的整个高度。
柱子中的钢筋模式产生了延展性——这意味着它们可以 резко 变形而不会发生致命的断裂。在竖向和水平钢筋笼的紧密约束下，许多受损柱子中间的混凝土即使柱子弯曲成香蕉的形状，在中高处弯曲到钢筋笼直径的三倍，仍然保持在原位。即使有如此大的变形，许多严重受损的柱子仍然支撑着重量，从而限制了需要充当网的地板区域。
五角大楼最终倒塌的部分远小于飞机造成的总破坏。与塔楼一样，它倒塌也是因为强烈的火灾进一步削弱了关键的梁和柱子。
结构工程行业研究 9/11 事件等事件以改进实践。许多此类研究由 美国土木工程师学会结构工程研究院(SEI/ASCE)、国家标准与技术研究院和联邦紧急事务管理局等组织进行，记录了诸如冗余和延展性等特性，这些特性增强了对极端袭击的抵抗力。研究人员和执业结构工程师正在这些信息的基础上努力使我们的结构在日常使用中安全经济，并且在损坏时也能幸存。
特别令人关注的是“不成比例的倒塌”的可能性，即在非常局部的损坏之后发生的广泛倒塌。我们预计严重的损坏可能会导致倒塌，就像 9/11 事件中那样，但我们努力防止由常见火灾、爆炸或失控的公路车辆撞击等小事件引起的连锁倒塌。
在 1995 年俄克拉荷马城阿尔弗雷德·P·默拉联邦大楼爆炸事件之后，SEI/ASCE 发布了新的抗爆炸设计指南。最终导致世界贸易中心和五角大楼倒塌的火灾促使 SEI/ASCE 倡导更好地分析火灾对建筑物的影响。SEI/ASCE 即将发布关于减轻不成比例倒塌潜力的建议。为了收集和传播更多信息，SEI/ASCE 设立了 美国安全结构协同报告，这是一个供工程师分享从失败中吸取的教训的交流中心。
像所有人一样，结构工程师为 9/11 事件造成的人员、物质和社会损失感到悲痛，我们担心未来会发生灾难性的结构破坏。但是，当出现故障时，工程师和建筑行业的其他合作伙伴不会自满。我们研究、我们学习，我们改进。
这是一篇观点和分析文章，作者或作者表达的观点不一定代表《大众科学》的观点。