双子塔倒塌

当纽约市巨大的世界贸易中心双子塔在9月11日连续遭受自杀式恐怖袭击后坠落地面时，全世界目睹了现代历史上最令人震惊和作呕的景象之一。这些巨大而看似坚固的建筑物突然倒塌，夺去了数千人的生命，其机制成为了上周在马萨诸塞州剑桥市进行的初步验尸的主题。一个由波士顿地区土木和结构工程师组成的专家组在马萨诸塞理工学院的校园里，在一位爆满的观众面前讨论了被劫持客机撞击的超高层摩天大楼的命运。他们清醒的分析突出了超高层建筑在火灾面前的脆弱性，并指出了可以采取的步骤来减轻这种脆弱性。

在首先描述了高冗余结构系统（该系统使110层的双子塔在数十年来能够抵御飓风和恐怖主义卡车炸弹）之后，工程师们随后详细描述了该系统如何在那场美国遭受袭击的灾难性日子里被破坏并最终被克服。他们得出的结论是，导致这些著名的高楼倒塌的主要罪魁祸首是两场猛烈的火灾，这些火灾是由于数万加仑的航空燃油从遇难的客机中溢出而爆发的。一旦高温削弱了塔楼的支撑钢结构，那么上层楼层的质量就只是一个时间问题，它引发了一种快速的“煎饼式”现象，即一层又一层被瞬间压碎，然后近乎自由落体地坠落到地面。值得注意的是，专家组表示，添加到这些建筑物中的任何缓解措施和冗余只能延迟不可避免的倒塌，尽管它们会为疏散人员争取更多时间。他们一致认为，任何现有或可预见的经济上可行的摩天大楼结构都无法承受这种残酷的袭击。显然，预防是抵御这种袭击的最佳防御手段。

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“尽管双子塔的高度并不比其著名的上城前辈帝国大厦高出多少，但世界贸易中心是在20世纪60年代后期兴建的，这是一个以快速竖立的轻型钢结构而非厚重的砖石墙为特征的新建筑时代，”McNamara and Salvia结构工程公司的高级工程师罗伯特·福勒解释道。福勒当时是世界贸易中心工程记录公司Worthington、Skilling、Helle & Jackson的初级成员，该公司后来更名为Skilling Helle Christiansen Robertson。“由于贸易中心与早期设计相比要轻得多，因此它是摩天大楼历史上的一个分水岭，”他补充说。当时的工程项目经理莱斯利·E·罗伯逊是该超高层摩天大楼设计的主要负责人，福勒指出。他目前是世界贸易中心的现任结构顾问Leslie E. Robertson Associates的首席合伙人。已故的西雅图建筑师山崎实（Minoru Yamasaki）设计了世界贸易中心。

塔楼如何保持屹立

与所有大型建筑物一样，该设施1362英尺高的南塔和1368英尺高的北塔的主要结构工程设计标准围绕着两件事：确保能够抵抗建筑物本身的巨大重力荷载以及由强风和地震引起的侧向或横向力，这些力会在底部产生巨大的倾覆力。福勒解释说，前一种情况取决于指定能够有效地将建筑物质量传递到地面的坚固的垂直柱。后一种考虑不仅涉及结构完整性，而且“还需要通过避免过度摇晃来为居住者开发可接受的舒适度”。福勒说，对侧向运动的抵抗力受“结构设计的质量[重量]、其侧向构件的刚度和所采用的结构阻尼程度”控制。

“尽管世界贸易中心塔楼高出街道水平1360英尺以上，但结构的底座实际上深入地下70英尺，其中一座塔楼顶部有一个100英尺高的天线，因此它们的宽度为205英尺，它们有很大的[外部]面积面向风，”这位工程师说。他计算出单个面需要承受的近似最大风剪力约为11,000,000磅。福勒说，塔楼底部产生的重力荷载（重量）约为500,000吨。

为了应对这些巨大的力量，工程师们“将世界贸易中心设计为基本上是一个大型梁截面，”专家组的另一位成员，工程公司McNamara and Salvia的总裁罗伯特·麦克纳马拉解释说。在业内被称为结构管，每个双子塔都用结构钢牢固地构筑。框架包括内部和外部矩形箱形管，这些管由密集的钢箱柱组成，这些柱通过钢拱肩构件或桁架梁连接，这些梁支撑着40,000平方英尺的交叉支撑地板，每个地板的面积都将近一英亩，在座的工程师们说。这种配置在建筑物周围形成了一个完整的外部管，并在中间形成了一个中心管。

他们说，90英尺长的中央核心由巨大的垂直钢柱组成，这些钢柱支撑着建筑物的大部分重量，其中包含电梯井、楼梯和公用设施空间。核心的柱子在底部较厚，以支撑巨大的累积重力荷载。外围管是一个紧密的预制格子结构，每个建筑表面都有61个14英寸的钢箱柱（中心间距为39英寸），它提供了所有抵抗风和地震作用引起的侧向和扭转力的支撑阻力。这种外部网格充当力矩框架，提供了一个大的力矩臂（扭矩）来抵抗倾覆和挠曲力。他们指出，外部管承担了部分重力引起的向下荷载。

巨大的内外矩形管“需要保护以保持其结构完整性，因此地板充当了加固隔膜或舱壁[造船中使用的术语]，”麻省理工学院土木与环境工程教授，专家组成员杰罗姆·康纳说。他说，办公室楼层从核心到外部网格的清晰跨度为35到60英尺，每个楼层都由开放式腹板桁架支撑的面板式结构构件组成，其上方带有钢板。根据康纳的说法，水平桁架支柱，用螺栓固定并焊接在外部网格和核心柱结构上，包括粘弹性弦，这些弦提供了更大的阻尼，以帮助使结构在风中不那么活跃。每个钢制地板都覆盖着四英寸的混凝土。“每个楼层的面积将近一英亩，并且每平方英尺的面积约为100磅，”他估计，“每个地板系统的重量约为3,200,000磅。”

塔楼为何倒塌

麦克纳马拉说，由于其所有的结构冗余，“世界贸易中心可能是最耐用高层建筑结构之一”，并补充说“如今，他们不再建造像世界贸易中心那样坚固的建筑了”。他的声明得到了一个事实的支持，即尽管两架神风特攻队的飞机突破了多个楼层框架，但双子塔的支撑结构仍然经受住了最初的撞击。在北塔北侧的约90层至96层以及南塔南、东和北侧的约75层至84层删除了关键的结构构件之后，世界贸易中心一号楼和二号楼的骨架找到了承载荷载的替代路径。每次撞击和随后的爆炸首先对结构施加了一个大的局部侧向力，然后对结构施加了一个全向力，共同导致了撞击高度处的柱和地板系统遭受了巨大的初始损坏。

尽管冲击和爆炸估计相当于1995年俄克拉荷马城阿尔弗雷德·P·默拉联邦大楼的卡车爆炸案（约400吨TNT当量），但塔楼仍然保持直立。“尽管重力系统的一个主要部分受损，但建筑物显示出巨大的屹立能力，并且它们确实屹立了一个小时左右，”麦克纳马拉说。“当其他关键构件丢失时，横向桁架系统重新分配了荷载。它们能支撑这么长时间是该系统的一个证明。”

报纸和电视新闻报道说，双子塔的设计目的是承受波音707的碰撞。9月11日事件表明情况确实如此。“然而，世界贸易中心从来没有为随之而来的巨大爆炸和强烈的航空燃油火灾而设计，这是一个关键的设计遗漏，”麻省理工学院土木与环境工程教授，专家组成员爱德华多·考塞尔说。只有在煤油燃料火灾损害了其结构管的完整性之后，塔楼才倒塌：世界贸易中心一号楼持续了105分钟，而世界贸易中心二号楼则保持了47分钟。“它专为你在办公楼中预期的那种火灾而设计，即纸张、桌子、窗帘，”麦克纳马拉说。爆发的航空燃油火灾的燃烧温度远高于办公室内典型物品的温度。“在华氏800度左右时，结构钢开始失去强度；在华氏1500度时，一切都不能保证了，因为钢构件会明显减弱，”他解释说。

有些人对保护结构钢的防火程度提出了质疑。据新闻报道，在1993年恐怖主义卡车爆炸案之后，最初应用于北塔钢框架和南塔较低30层的石棉水泥防火材料被拆除了。

其他人则指出，航空燃油火灾可能燃烧得足够热，足以熔化和点燃飞机的铝制机身结构。铝是一种自燃金属，可能会加剧火灾。一位消息灵通的记者认为，热熔铝可能会渗入地板系统，造成重大损坏。“铝熔化成燃烧的‘高脚杯水坑’，这些水坑会聚集在凹陷处，[例如]梁接头、地板上的维修开口、楼梯井等……高脚杯是白炽的，估计在1800摄氏度下燃烧。在这个温度下，混凝土中的水合水会汽化并被铝消耗。这会释放出燃烧的氢气。铝在混凝土中燃烧会产生被白色氧化铝灰覆盖的氧化钙/硅酸盐炉渣，所有这些都有助于隔离和容纳铝水坑。这会使金属保持高温和燃烧状态。如果你看看波斯湾战争期间被摧毁在混凝土掩体中的伊拉克飞机的照片，你会注意到混凝土楼板上烧毁的飞机留下了深深的印记。”

虽然撞击双子塔的波音 767 客机比波音 707 稍大（最大起飞重量分别为 395,000 磅和 336,000 磅），但它们携带的燃料量与老型号飞机相似，根据考塞尔的说法，约为 24,000 加仑对 23,000 加仑。“可以肯定的是，”他继续说道，“没有任何建筑物能够或将能够抵抗这种火灾。”他说，可能已经受损的喷水灭火系统在这种火灾面前将毫无用处，并补充说，“世界贸易中心大楼的表现非常出色；它们坚持了足够长的时间，让大多数人成功疏散。”

考塞尔还报告说，他已经估算了每座塔楼倒塌过程中产生的能量。“建筑物的重力势能就像大坝后积蓄的水一样，”他解释说。当释放时，累积的势能会转化为动能。他计算出，质量约为 500,000 吨（5 x 10⁸ 千克），高度约为 1,350 英尺（411 米），重力加速度为每秒 9.8 米²，总势能为 10¹⁹ 尔格（10¹² 焦耳或 278 兆瓦时）。“这大约是一颗小型原子弹释放能量的 1%，”他指出。

麻省理工学院的教授补充说，约 30% 的倒塌能量用于破坏建筑物的材料，其余的转化为坠落物的动能。倒塌后覆盖曼哈顿下城的巨大灰色尘云可能是混凝土楼层在坠落时被粉碎，然后喷射到周围社区时形成的。“冲击地面的动能中，只有 0.1% 转化为地震能，”他表示。“正如哥伦比亚大学的拉蒙特-多尔蒂天文台（位于距离纽约市约 30 公里处）监测到的，每次事件都造成了一次（规模适度的）2 级地震。”考塞尔总结说，“大部分动能转化为热量、材料破裂和下方地面的变形。”

尽管专家小组对导致双子塔倒塌的失效机制进行了初步思考，但最终原因尚未确定。据报道，国家科学基金会已经资助了八个研究项目来调查世贸中心的灾难。美国土木工程师协会正在赞助多项现场研究。与此同时，美国结构工程师协会的结构工程研究所已成立一个调查小组，以分析这场灾难并从中吸取教训。据说，伊利诺伊州斯科基市建筑技术实验室高级副总裁 W. Gene Corley 将领导 ASSE 研究小组进行数据收集的初始阶段，然后由位于芝加哥的 Skidmore Owings & Merrill 公司的结构工程师 William Baker 领导后续的分析阶段。结构工程研究所将与美国钢铁建筑学会、国家消防协会和消防工程师学会合作。联邦紧急事务管理局也被邀请加入。

塔楼如何倒塌

鉴于对于倒塌如何发生缺乏确凿的结论，麻省理工学院的小组成员要求听众考虑他们提出的各种理论。总体而言，大家一致认为，随着每个塔楼顶部的结构发生弯曲和削弱，框架连同混凝土板、家具、文件柜和其他材料，变成了一个巨大的整体重量，最终压垮了下方结构的较低部分。框架构件如何失效的细节仍存在争议。

康纳教授的理论侧重于垂直和水平结构构件如何连接在一起的弱点。他解释说，在建造过程中，每个预制楼板系统都由起重机吊起，并“像铰链一样在末端支撑，在那里它们通过螺栓和焊接固定到内部和外部框架管”，因此一部分重力载荷通过核心传递，另一部分通过外部结构传递。“楼板桁架位于梁上，并被固定，以便核心与外部锁定，”他说。“这是一个不寻常的系统，而且非常轻便。但是，如果你失去了它们之间的连接，你就会失去承受楼板载荷的能力，并允许楼板在应力下前后滑动。如果受损的楼板系统坠落，它会破坏较低楼层的末端连接，楼层会一层层向下坠落。”

“在我的理论中，高温削弱了支撑接头连接，”康纳继续说道。“当它断裂时，楼板的一端坠落，损坏了下方的楼板系统，同时将仍然连接的垂直构件向建筑物中心和下方拉动。”他说，这种现象启动了一个寄生过程，加速直到完全失效，结构坍塌。

爱德华多·考塞尔提出了另一种失效解释，他承认这是由西北大学教授兹德内克·巴赞特独立提出的。“我认为，强烈的热量软化或熔化了结构构件，即楼板桁架和柱子，使它们变得像口香糖一样，这就足以引发倒塌，”他说。“楼板桁架很可能是第一个下垂和失效的。一旦上层楼板失去支撑，失效的楼板系统的碎片就会像雨点一样落在下层楼板上，最终导致它们屈服，从而开始一个不可阻挡的序列。动力非常大，以至于向下的运动变得不可阻挡。”

通过两个简单的模型，考塞尔能够确定，上层建筑物部分坠落到一个楼板上必定会导致动力超过建筑物设计载荷至少一个数量级。他还进行了一些计算机模拟，表明建筑物材料几乎不受限制地以接近自由落体的速度下落。“塔楼的阻力系统没有发挥任何作用。否则，下落的持续时间会延长，”他指出。事实是，碎片从顶部到达地面大约需要 9 秒钟。

“很难判断首先发生哪种失效机制；可能所有机制都发生并相互作用，”麻省理工学院土木与环境工程教授、小组成员奥拉尔·布尤克佐图克说。“长时间的高温很可能导致柱子弯曲、楼板倒塌，以及接头失效后楼板的剪切。”他指出，灾难的录像带显示，南塔的顶部在倒塌前出现了一些倾斜。“这表明一个建筑面弯曲，而相邻的面弯曲[受到张力]。”此后，塔的上部显示出解体，随后出现“动态效应和放大过程”，导致渐进式倒塌——“一种叠饼或纸牌效应”——直至地面，布尤克佐图克说道。

考塞尔回答了人们经常提出的问题，即为什么塔楼没有像倒下的树一样倾倒。“树是实心的，而建筑物大部分是空气或空的空间；只有大约 10% 是固体材料。由于下面没有坚实的树桩迫使其向侧面倾倒，因此建筑物无法倾倒。它只能坍塌到自身上。”罗伯特·麦克纳马拉说，他的失效机制理论“侧重于将结构固定在一起的连接”，但他警告说，“我们真的需要等待详细的调查，才能决定我们是否必须提高这些标志性结构中连接的代码等级。”

保护摩天大楼的居住者

在吸取经验教训后，专家小组随后将注意力转向未来高层建筑的变化。“尽管最近的灾难在 20 世纪 70 年代无法被视为设计情景，但这意味我们必须改变未来设计和建造高层建筑的方式，”布尤克佐图克说。

现有的摩天大楼可能应该进行一些额外的安全措施改造，但教授们表示，在经济上和美学上，对它们进行物理保护以避免类似的灾难是没有意义的。“改造非常昂贵，因此通常只对纪念性建筑物进行，”康纳说。

“永远不会有不会倒塌的建筑物，”考塞尔指出。“我们能做的最好的事情是确保它能坚持足够长的时间让所有人都逃脱。”早在世贸中心建成时，似乎没有人预料到需要一次性疏散整个大型建筑物。为了成功地做到这一点，意味着提高建筑物的结构冗余度，即提供辅助系统功能的额外手段。小组成员讨论了为结构构件提供改进的防火措施，为受损结构提供替代载荷路径，以及将隔膜楼板梁更牢固地固定到垂直构件上。还提到了在未来的大型结构中安装防爆、吸能材料（如混凝土包裹的钢制外柱）和/或空腔（钢筋混凝土核心）的想法，这些材料可以帮助它们幸存下来，或者至少促进以某些较慢、危害较小的顺序失效。

一位不愿透露姓名的西海岸结构工程师在一位听众提出，安装楼板接头加固以提高冗余度将比原始建筑物成本高出约 10% 时，引发了一个令人深思的时刻。“根据我们的分析，这可以为疏散期增加几个小时，”他表示。“如果每座塔楼的建造成本约为 10 亿美元，那么额外花费 1 亿美元就可以挽救大多数居住者的生命。尽管这很可怕，”他继续说，“出于保险目的，一个人的生命价值约为 100 万美元，因此这有助于将额外的投资纳入考虑。毕竟，世界贸易中心安装了 10,000 个粘弹性阻尼器以减少其摇晃，因此安全改进不容忽视。即使再次发生灾难的可能性很小，建筑客户也必须变得更严格……”

该小组还考虑了提高建筑物安全系统有效性的必要性。考塞尔指出了双子塔紧急通信系统的问题（“当协调最为关键时，人们不知道该做什么”）、紧急照明系统和防止烟雾的措施（“建筑物火灾中的最大杀手是吸入烟雾”）。他还建议应投入更多精力来创建“替代逃生路线，以便疏散人员不会面临烟雾墙。如果两个楼梯井靠得很近，”他指出，“一次爆炸可能会阻塞它们。”其他提出的想法包括安装更好的灭火系统，使用航空火灾中使用的水成膜泡沫，并为消防员创建受保护的通道。还提到了需要加固楼梯井和疏散通道，并可能开发“可部署的疏散系统”供建筑物居住者使用。除了机器人楼梯疏散装置外，可部署的系统可能包括从窗户部署的逃生管、外部人员下降机、飞行平台甚至降落伞。”

一位听众问专家小组，像目前的最高纪录保持者，位于马来西亚吉隆坡的 452 米高的双子塔这样的钢筋混凝土摩天大楼是否能更好地抵抗装满燃料的飞机撞击。他们的回应表明，混凝土结构可能比钢铁世界贸易中心大楼多坚持几个小时。罗伯特·麦克纳马拉表示，许多最近的超高层建筑主要由钢筋混凝土建造，主要是因为亚洲的钢铁成本很高。他还提到，双子塔包含“安全避难层”，以便建筑物居住者在火灾中获得新鲜空气。麦克纳马拉说，这个概念现在有些信誉扫地，因为世贸中心类似的避难所最终不会救任何人。

随后，大家就恐怖分子飞行员是否知道撞击建筑物以达到最大效果的地点展开了热烈的讨论。麦克纳马拉认为撞击的位置似乎很重要。“他们击中了恰到好处的位置，大约在三分之二到四分之三的高度。早期的[卡车炸弹]袭击表明，底部爆炸效果不大，而且从顶部比从底部更容易使建筑物倒塌。如果他们撞击的是建筑物的最顶部，那么火灾造成的破坏就不会如此灾难性。在底部，柱子更重更坚固，因此它们可以承受更大的载荷。”康纳认为，“需要研究生级别的工程训练才能选择最佳目标位置。”

在世界贸易中心灾难发生后，人们提出了未来是否应该建造超级摩天大楼的问题。显然，这些顶级工程师会明确地回答“肯定”。他们说，新的高塔必然会拔地而起。