時(shí)間：2001年11月16日（周五）晚7：00

　　地點(diǎn)：電教112

　　主講人：劉西拉（國際建造研究理事會(huì)常務(wù)委員會(huì)委員、世界工程組織聯(lián)合會(huì)教育與培訓(xùn)委員、清華大學(xué)土木工程系雙語教授、博士生導(dǎo)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(rèn)為世貿(mào)中心兩棟大樓倒塌，不僅僅是因?yàn)閮杉茱w機(jī)的撞擊，還是因?yàn)槠渌�人為的爆炸源�?dǎo)致的。清華大學(xué)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(gè)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(gè)地方擔(dān)任第一任美國總統(tǒng)的。這個(gè)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(gè)地區(qū)有世界著名的華爾街、時(shí)代廣場、中央公園、哥倫比亞大學(xué)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(gè)地區(qū)的兩棟世貿(mào)大樓又是當(dāng)?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(biāo)志。當(dāng)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(yīng)該對(duì)其有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)。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(wù)局。除了這兩棟樓外，它們周圍還有5個(gè)也屬于紐約和新澤西港務(wù)局的相對(duì)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(dòng)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(shí)間，美國人付了如此昂貴的學(xué)費(fèi)，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(duì)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?yàn)橹�子之間的距離很小，沒辦法進(jìn)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(dá)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(diǎn)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(jì)的。因?yàn)檫@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(fēng)壓，這種設(shè)計(jì)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(fēng)壓的情況下的最大位移是28公分。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)。大樓每層的地面板都是預(yù)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(yùn)走。因?yàn)橐坏┻@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(shè)計(jì)意圖是靠中間的電梯井來承受大樓的整個(gè)重量。

　　世貿(mào)大樓的基礎(chǔ)：它們的基礎(chǔ)是一個(gè)243米乘127米，深度為19.8米的大基礎(chǔ)。在這個(gè)大基礎(chǔ)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(gè)基礎(chǔ)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(gè)基礎(chǔ)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(jī)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(gè)物體“砸”到另一個(gè)物體上，和安靜地“放”到一個(gè)物體上的動(dòng)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(gè)東西砸在一塊軟的面團(tuán)上，這塊面團(tuán)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(jìn)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(dòng)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(yù)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(gè)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(shí)就怎么也想不明白是怎么倒的。當(dāng)時(shí)包括很有經(jīng)驗(yàn)的美國的消防隊(duì)員也沒有了解這一點(diǎn)。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(duì)員還不停地進(jìn)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(shí)，高層建筑的防火設(shè)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(duì)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(duì)員能夠有足夠的時(shí)間進(jìn)去把火撲滅，同時(shí)使得建筑物里的人有時(shí)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(dá)到800度，而這次的燃燒肯定達(dá)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?yàn)槠渲杏泻艽笠徊糠质卿X合金的材料，傳熱系數(shù)很大�？偟膩碚f，世貿(mào)大樓的倒塌首先是因?yàn)榇罅咳加偷娜紵�使得鋼筋的�?qiáng)度和鋼度喪失和飛機(jī)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?yàn)槿紵龝r(shí)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(jī)撞擊的荷載的話，只有核電站才能達(dá)到這樣的標(biāo)準(zhǔn)。德國就曾經(jīng)試驗(yàn)用一架波音飛機(jī)撞擊核電站的反應(yīng)堆。

　　大家都知道東西燃燒就會(huì)化，也知道勢能會(huì)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，也知道動(dòng)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(yīng)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(xùn)。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(dòng)地適應(yīng)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(dāng)時(shí)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(gè)印象，認(rèn)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?yàn)樗�和兩棟世貿(mào)大樓都建立在一個(gè)基礎(chǔ)之上。兩棟世貿(mào)大樓倒塌，上百萬噸荷載的變動(dòng)，不亞于一次小型地震，所以它們街對(duì)面的47層的樓也倒塌了。

　　對(duì)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(gè)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(cái)富就集中。財(cái)富一集中，風(fēng)險(xiǎn)也就集中，這是美國人自己造成的一個(gè)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(cái)富集中到一個(gè)地區(qū)？這樣還會(huì)造成交通的堵塞、環(huán)境污染、熱島效應(yīng)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(shè)置的一個(gè)怪圈導(dǎo)致的。我覺得我們中國人應(yīng)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(dǎo)美國復(fù)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(gè)時(shí)期。開始是把堅(jiān)固的城墻修到城市的外圍，人們的活動(dòng)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(gè)時(shí)候的城墻就象蛋殼，而城市就象一個(gè)煮雞蛋。這就是第一代的城市建設(shè)模式。后來的城市建設(shè)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(huì)在城中心形成交通的堵塞，修多少路都沒有用。現(xiàn)在可行的模式是，在老城外修建眾多的小區(qū)。每個(gè)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(shè)計(jì)模式。

　　第二個(gè)反思：我們過去要想使得一個(gè)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(gè)問題想得比較少，那就是一個(gè)建筑中只要出現(xiàn)了一個(gè)疏漏，就會(huì)引起整個(gè)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(gè)工程事故：本來一個(gè)屋頂和柱子連成了一個(gè)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(gè)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(gè)部位出問題引起全盤垮掉的例子。這在設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)該注意。再比如，前段時(shí)間宜賓有一座橋斷了。但是那座橋僅僅是橋板斷裂，不會(huì)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(shí)一旦某一個(gè)橋面板損壞，整座橋都會(huì)癱瘓。

　　以上就是世貿(mào)大樓的倒塌啟發(fā)我引起的兩個(gè)反思。

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