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纽约世贸大厦是怎么倒塌的,与日裔设计师建筑设计有关?

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曾几何时,纽约曼哈顿世界贸易中心是全球最瞩目的存在:两座超过415米、各110层的摩天大楼伫立在哈德逊河之滨,成为这座世界第一大城市天际线最突出的部分,它们是纽约人的骄傲,也成为美国科技成就和经济霸权的象征。


曾经的纽约世贸双子塔

人们习惯称这两座长条形大楼为“双子塔”(Twin Towers)。然而就在美国东部时间2001年9月11日的早晨,两座大厦先后遭到客机撞击,在熊熊燃烧了数小时后,双子塔在全球观众的注视下轰然垮塌,化作漫天烟尘和一堆废墟。


9.11,世贸南楼遭到撞击

9·11事件共造成2763人死亡,由此带来全球局势发生深刻变化。然而多年来围绕着双子塔垮塌的争论一直没有平息:有人说是飞机撞击破坏了楼体结构,有人称是大火的高温融化了钢材,还有人信誓旦旦地声称这是一次定向爆破——大楼垮塌过程中大量灰尘是由炸药爆炸引起,与飞机无关。


世贸北楼轰然垮塌

纽约世贸大厦究竟是如何垮塌的?为什么飞机只撞击了大厦最上面五分之一的区域,却造成了整座大楼的垮塌?

1961年,纽约和新泽西港务局决定在曼哈顿下城建造全球首个世界贸易中心,次年选择日裔美国设计师山崎美郎和犹太裔设计师罗斯父子联合设计,1964年山崎拿出了全套设计方案。双子塔的设计理念先进而大胆,他利用47根钢柱和钢筋混凝土建造一个41×27米的巨大电梯内筒,同时用236根高强度钢柱围成外墙,建筑内筒与外墙之间没有柱子,只用轻质钢桁架搭接,上面再铺10厘米厚的水泥板作为每一层的地面。


双子塔楼面布局与结构

山崎设计方案的好处显而易见:对于超高层建筑而言,它足够轻巧;所有部件都可以在工厂进行标准化制造,拼装速度快;将建造成本压到最低。由于大量采用高强度钢材和铝合金,同时将窗户的宽度压缩到仅46厘米,这使得整座大楼十分轻盈挺拔,单座塔楼的结构总重量只有约50万吨。

轻巧的结构并不意味着它不结实。纽约东临大西洋,时常遭受飓风袭击,为了抵抗时速225公里的强风,山崎设计的双子塔风负荷达2kPa,横向推力达到5000吨。

9·11当天的纽约风和日丽,飞机的撞击并没有从根本上损害塔楼的钢结构。这很容易理解:波音客机的大部分结构件是铝合金,仅机身底部的龙骨梁的强度才能与世贸大厦外墙钢柱媲美。因此以700公里/小时飞行的飞机只是撞断了外墙的几根柱子,大厦上部负载转移到了周围其它柱子上。


火焰从破碎的窗户喷出

既然飞机撞击不能伤害到双子塔的主要承重结构,于是人们将目光转向大火。据说两架飞机撞机前,都携带了多达90000升的燃油。航空煤油的比重为0.775,这相当于约有69吨高度易燃的液体泼洒在大楼内。煤油燃烧产生高温烤化了钢铁,垮塌便顺理成章。然而事实并非如此简单。

在讨论火灾时,许多人常常会混淆温度与热量的概念,事实上尽管69吨航空煤油能携带巨大的能量,但它在开放环境下燃烧时并不能产生足以融化钢铁的温度。这与你把煤气灶开到最大,火焰的温度并不会翻倍是一样道理。


南楼垮塌瞬间

双子塔在垮塌前的燃烧过程中一直散发出滚滚黑烟,这是楼内供氧不足,物质燃烧不充分所致,在这种条件下,即便有大量燃油加上楼内办公桌椅助燃,也达不到熔化钢铁所需的1500℃高温。住宅火灾的温度通常在500℃~650℃范围内,世贸大楼内由于有航空燃油,加上辐射热损失较少,火场温度有可能达到900℃。这不能烤化钢铁,却能使钢铁的强度降低大约一半。

但这依然不是大楼垮塌的主要原因。

导致双子塔最终垮掉的,是山崎对于楼板的设计。


楼板的轻巧设计引发多米诺骨牌效应

当大楼内部持续燃起大火时,固定在内外钢柱上的钢制楼板桁架受热膨胀,内外墙体起支撑作用的钢柱会抵抗这种膨胀,于是桁架开始在烈焰烘烤下弯曲并从角铁上脱落,砸在下面一层楼板上。由于火灾同时发生在相邻的十层楼,砸到下方的楼板越来越多,最终超出单层楼面1300吨的最大承载力,引发多米诺骨牌效应。


南楼顶部倾斜着往下砸

由于飞机撞击剥离了钢结构表面的防火隔热层,大楼内又没有自动喷淋装置和足够多的水用来扑灭火灾,火灾位置大量钢柱在烈焰长时间炙烤下,其屈服强度损失50%,在上方十几层楼体巨大负荷下发生弯曲并断裂。最终导致整座大楼在10秒内垮塌,最上方楼层的触底速度达到200公里/小时。


世贸塔楼垮塌过程

最后我们做一个简单回顾:

纽约世贸大厦在飞机撞击下双双垮塌,它既不是因为无法抵抗巨大的冲击力,也非大火烤化了钢铁,更不是有人预先埋了炸药。双子塔的轻巧结构是造成垮塌的主因。

你可能问那漫天灰尘是哪里来的?别忘了大厦里每一层都有轻质混凝土楼板,并且钢结构的外层还涂覆着厚厚的防火石棉,这些东西在巨大的压力下都会化为粉尘。

没有人因此责怪山崎,他设计了两座美国人引以为傲的建筑,却没有想到这两栋大楼未来某一天要应对满载燃油的飞机。或许在9·11事件之后,世界各国在建造超级摩天大楼前都要多考虑一下怎么对付空中袭击的问题,但真正给予民众安全感的,决不能只是几个建筑设计师。

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