结构倒塌案例系列—意外之殇
一栋建筑物建成以后，需要经受大自然的各项考验。但同时还得面对各种意外，其中，不乏导致建筑物倒塌的案例。
下面列举的三个倒塌案例，主要原因均不是常规结构设计所考虑的荷载或作用，可以说工程师都没有法律责任。但是，一旦事故发生，结构工程师很难全身而退，或者说从道义上需要负一定的责任。
使用不当：“凡尔赛宫”婚宴大厅
2001年5月24日，在坐落于以色列耶路撒冷Talpiot的“凡尔赛宫”婚宴大厅（Versailles wedding hall）内，正在举行一对新人的婚礼。突然之间，婚宴大厅的一大部分楼板坍塌，直接坠落到下一层，造成23人死亡，380人受伤，是以色列历史上最大的公共灾难。
事故后的“凡尔赛宫”婚宴大厅
如果把建筑看成一件产品，那么在官方发布的事故调查报告中，我们看到了一连串违反产品说明书的不当使用，最终导致灾难发生。
擅自变更楼面用途
发生坍塌的建筑设计为两层，其相邻一跨设计为三层。在建造过程中，开发商擅自将两层的结构加高至三层，使其与另一跨平齐，一起被用作婚宴大厅。因此，原本只设计承受屋面荷载的屋面板，在实际使用过程中承受了远大于设计的活荷载。
最后一根稻草
为什么婚宴大厅之前的使用没有问题呢？原因是大厅楼板下面原来是有房间分隔的，虽然大厅荷载超出了设计值，但是下部的分隔墙事实上起到了一定的支撑作用，所以楼板并没有发生问题。但就在婚礼开始前几周，这座建筑的业主决定将下部房间分隔拆除。这成了压垮骆驼的最后一根稻草。
错失最后一次机会
实际上，最后还有一次机会避免灾难的发生。在拆除楼板下部隔墙后，楼板下挠了好几英寸。这理应引起重视，但是业主没有咨询结构工程师，而是自作主张，在下挠的楼板顶面用砂浆抹平。这样的后抹砂浆非但不能与原有楼板共同工作，而且增加了楼板的荷载。最后，在婚宴时，整个楼板大面积坍塌。
现场的婚礼摄影师正好拍到的倒塌瞬间。
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反思
建筑本质是一件交到业主手上的产品，这和我们日常使用的汽车、洗衣机、手机是一样的，都是需要按照相应的规则去使用它。我们不会把汽车卸掉一个轮胎开在路上，同样，当我们家里装修想要卸掉一根柱子时，至少要咨询专业的结构工程师。
作为结构工程师，当我们把产品交给业主时，不要忘了把使用说明书一起交给业主。什么墙是剪力墙、什么墙是隔墙、什么区域的设计荷载是多少...应该和我们的设计图纸一起交付给业主。这也许就是产品向服务的转变吧。
煤气爆炸：罗南角公寓
罗南角公寓楼(Ronan Point Apartment)位于伦敦市，建于20世纪60年代。1968年5月16日清晨大约5点45分，住在18层的住户Ivy Hodge小姐在厨房点火时，由于煤气泄漏引起爆炸，爆炸导致了整个22层公寓楼角部的整体坍塌。造成4人死亡，17人受伤，幸运的是Ivy Hodge小姐本人奇迹生还。
罗南角公寓倒塌现场
这座被爆炸所毁的22层大楼，是采用“拉森-尼尔森预制体系（Larsen-Nielsen prefabrication system）”在现场进行墙板预制拼装的。该建筑体系以房间大小为单元，采用预制钢筋混凝土墙板承重。二战后由于欧洲房屋损毁严重，该预制体系又可以大大节省造价和工期，因而颇受欢迎。
公寓平面示意图
节点
预制体系各工法的细节虽然可能不同，但最重要的是节点、拼缝。在“拉森-尼尔森预制体系”中，楼板的锯齿状边缘间采用了水泥砂浆拼合，但是并没有用钢筋加强楼板与楼板之间、楼板与上下墙板之间的拼缝。因此，只要有足够大的水平力，比如这次爆炸，就容易使墙板克服摩擦力，从拼缝处推离楼板。
此次爆炸的冲击力其实很小，Ivy小姐的耳膜并没有损坏，据此推测墙板受到的推力应该小于70KPa。而事故调查委员会的试验表明，将墙板推出楼板的压力只需要20KPa，不到此次爆炸威力的1/3。
爆炸发生后，被炸掉的角落重建起来，并采用防爆角钢及钢筋拉结防止墙板与楼板的脱离。
连续性倒塌
原来19层的楼板是支承在18层外墙上的，爆炸使18层的外墙飞出后，导致19层的楼板处于悬空状态。由于缺乏备用的传力路径，19~22层的墙、板向下坠落。面对上部楼板坠落下来的冲击，18层以下的墙、楼板像多米诺骨牌一样逐层被压垮。
公寓倒塌过程
公寓的命运
大楼自加固后重新启用，但到了1984年，公寓内墙体开始出现裂缝。调查发现，加固的施工质量不过关，本应以砂浆填塞的墙板拼缝处充满了杂物和空隙，导致大楼在自重下出现问题。1986年，公寓被迫拆除。
反思
设计人员都很重视钢节点，但混凝土结构中的节点往往被忽视。这是由于混凝土大量采用现浇的施工方式，一般节点没有问题。但是对于预制装配的混凝土结构，节点在设计人员的脑海中，应有和钢节点一样的重要性（钢结构也是预制装配的）。
爆炸属于很少见的事件，民用建筑规范并没有将爆炸列为结构设计必须考虑的荷载。而在罗南角公寓灾难以后，结构设计领域逐渐形成共识，即爆炸或者其他偶然作用，只可以摧毁局部结构，而不能产生连续性的、大范围的倒塌。
飞机的冲击：世贸中心
2001年9月11日上午8时48分，一架波音767飞机撞入世贸中心（World Trade Center）北塔楼96~103层之间，紧接着第二架波音767飞机在87~93层之间飞入南塔楼。但塔楼仍然矗立着，南楼和北楼分别坚持了1小时和1小时40分钟后轰然倒塌。塔楼几乎垂直地倒下，楼板层层落下，在哥伦比亚Lamont-Doherty地震观测站的地震仪上记录到了相当于2.4级地震的振动。
世贸双子塔遭飞机撞击后的照片
冲击力
冲击世贸中心的波音767是现代宽体客机，重约200吨。但实际上其冲击力也是小于世贸中心塔楼的抗倾覆能力的。被飞机直接撞击的楼层，立柱和楼盖均发生即时破坏，但其他部位的结构保持完好。这也是为什么塔楼在冲击下没有立即倒塌的原因。
小i认为如果是因为局部结构遭冲击破坏导致的倒塌，那应该是上部楼层在撞击处弯折后倾覆，而不是垂直地坍塌。所以，冲击力并不是导致世贸大厦倒塌的关键因素。
世贸中心遭撞击示意图（红点为周围遭破坏的建筑）
火灾
这两架飞机都是计划从波士顿飞往加利福尼亚的，因此加满了数千加仑航空燃油，载满燃油的客机引发了剧烈的爆炸并燃烧。虽然按照当时当地的防火要求，世贸大厦钢结构的外露部分都喷涂了石棉水泥防火层，核心区设计成用防火墙和防火门包围起来的防火区。但撞击和爆炸会刮去并损坏这些防火涂料和装置。
钢材强度与温度的关系
试想飞机泄露出的燃油在大楼内燃烧，火的温度为550~1100℃，而当钢材达到600℃时，就已失去了一半的强度。一但某一层柱发生破坏，未损坏的撞击区以上的结构将落到撞击区以下的结构上，下落的冲击力估计为上部结构自重的30倍，致使下部结构迅速破坏，塔楼垂直坍塌。
世贸中心倒塌的过程
LERA公司的声明
LERA作为世贸中心双子塔的设计公司，其创始人Leslie E. Robertson直接主持了双子塔的整个设计。其声明中有一段话摘录如下。
“假如一架波音707客机偶然撞到世贸中心，我们的设计是可以抵抗的。即使是恐怖分子劫持的波音767，体积更大飞得更快，但是仍然不能通过撞击使塔楼倒塌。不幸的是，塔楼的消防系统没能应对数千加仑航空燃油的燃烧，实际上这也是不可能的。
虽然这场巨大的灾难造成了严重的损失，但是我们还是庆幸，塔楼在倒塌之前坚持了相当长的时间，为逃生提供了宝贵的时间“
从中小i读到了结构工程师的无奈。声明还摘录了FEMA（美国联邦应急管理署）和ASCE(美国土木工程师学会)发布的调查报告，有兴趣的读者可以阅读原文，见参考资料6。
反思
世贸中心结构采用的是框筒结构，在当时是极大的结构体系革新。其四周是钢框架筒体，筒壁均由密柱和深梁组成，承担所有水平力及部分竖向力；内部核心区由钢框架、斜支撑和56个电梯筒组成，但设计仅用于承担竖向荷载。也就是说，大楼的主要结构构件是暴露在最外面的，这在受力效率上是高的，但遭受恐怖袭击时，这成了它的软肋。
世贸中心的平面图纸
小i大胆作一个假设，如果世贸大厦是采用的框架核心筒体系，即内部是用于抗侧力的混凝土芯筒，而外部是钢框架。飞机从外立面撞向塔楼，肯定会造成局部框架的破坏，但框架正好也起到了保护内部核心筒的作用，撞击也就很难对核心筒产生严重的破坏。另外，混凝土核心筒的耐火能力也比钢结构要好很多。9.11会不会有不一样的结果呢？
事实上，飞机与摩天大楼相撞的事故半个世纪前也有发生。1945年7月28日上午，一架波音B-25轰炸机与纽约帝国大厦发生撞击。所幸仅发生了局部破坏，并未造成像9.11这样的大灾变。
凡尔赛宫宴会厅的倒塌、罗南角大厦的倒塌、世贸中心的倒塌，如果你是结构工程师，看完这些例子可能会使你的设计倾向更加保守。但这显然不是我们这个系列希望达到的目的。
结构工程师可以设计重型钢筋混凝土掩体，在几乎任何的意外的事件中都不致倒塌，但人们并不愿意生活居住在这样的掩体中。我们要做的是在掩体和玻璃盒子中间寻找一个平衡，减少未来结构发生灾难性破坏的风险。任重而道远，与君共勉。
参考资料：
1. 建筑生与灭：建筑为何倒下去 马特斯·李维 马里奥·萨瓦多里
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Versailles wedding hall disaster
3. https://failures.wikispaces.com/Ronan+Point
4. Chain Reaction Collapse of a High-rise Apartment due to a GasExplosiong. masayuki nakao. School of Engineering, TokyoUniversity.
5. https://zh.wikipedia.org/wiki/九一一袭击事件
6.
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