雙子塔倒塌

當紐約市巨大的世界貿易中心雙子塔在9月11日連續遭受自殺式恐怖襲擊後墜落地面時，全世界目睹了現代歷史上最令人震驚和作嘔的景象之一。這些巨大而看似堅固的建築物突然倒塌，奪去了數千人的生命，其機制成為了上週在馬薩諸塞州劍橋市進行的初步驗屍的主題。一個由波士頓地區土木和結構工程師組成的專家組在馬薩諸塞理工學院的校園裡，在一位爆滿的觀眾面前討論了被劫持客機撞擊的超高層摩天大樓的命運。他們清醒的分析突出了超高層建築在火災面前的脆弱性，並指出了可以採取的步驟來減輕這種脆弱性。

在首先描述了高冗餘結構系統（該系統使110層的雙子塔在數十年來能夠抵禦颶風和恐怖主義卡車炸彈）之後，工程師們隨後詳細描述了該系統如何在那場美國遭受襲擊的災難性日子裡被破壞並最終被克服。他們得出的結論是，導致這些著名的高樓倒塌的主要罪魁禍首是兩場猛烈的火災，這些火災是由於數萬加侖的航空燃油從遇難的客機中溢位而爆發的。一旦高溫削弱了塔樓的支撐鋼結構，那麼上層樓層的質量就只是一個時間問題，它引發了一種快速的“煎餅式”現象，即一層又一層被瞬間壓碎，然後近乎自由落體地墜落到地面。值得注意的是，專家組表示，新增到這些建築物中的任何緩解措施和冗餘只能延遲不可避免的倒塌，儘管它們會為疏散人員爭取更多時間。他們一致認為，任何現有或可預見的經濟上可行的摩天大樓結構都無法承受這種殘酷的襲擊。顯然，預防是抵禦這種襲擊的最佳防禦手段。

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“儘管雙子塔的高度並不比其著名的上城前輩帝國大廈高出多少，但世界貿易中心是在20世紀60年代後期興建的，這是一個以快速豎立的輕型鋼結構而非厚重的磚石牆為特徵的新建築時代，”McNamara and Salvia結構工程公司的高階工程師羅伯特·福勒解釋道。福勒當時是世界貿易中心工程記錄公司Worthington、Skilling、Helle & Jackson的初級成員，該公司後來更名為Skilling Helle Christiansen Robertson。“由於貿易中心與早期設計相比要輕得多，因此它是摩天大樓歷史上的一個分水嶺，”他補充說。當時的工程專案經理萊斯利·E·羅伯遜是該超高層摩天大樓設計的主要負責人，福勒指出。他目前是世界貿易中心的現任結構顧問Leslie E. Robertson Associates的首席合夥人。已故的西雅圖建築師山崎實（Minoru Yamasaki）設計了世界貿易中心。

塔樓如何保持屹立

與所有大型建築物一樣，該設施1362英尺高的南塔和1368英尺高的北塔的主要結構工程設計標準圍繞著兩件事：確保能夠抵抗建築物本身的巨大重力荷載以及由強風和地震引起的側向或橫向力，這些力會在底部產生巨大的傾覆力。福勒解釋說，前一種情況取決於指定能夠有效地將建築物質量傳遞到地面的堅固的垂直柱。後一種考慮不僅涉及結構完整性，而且“還需要透過避免過度搖晃來為居住者開發可接受的舒適度”。福勒說，對側向運動的抵抗力受“結構設計的質量[重量]、其側向構件的剛度和所採用的結構阻尼程度”控制。

“儘管世界貿易中心塔樓高出街道水平1360英尺以上，但結構的底座實際上深入地下70英尺，其中一座塔樓頂部有一個100英尺高的天線，因此它們的寬度為205英尺，它們有很大的[外部]面積面向風，”這位工程師說。他計算出單個面需要承受的近似最大風剪力約為11,000,000磅。福勒說，塔樓底部產生的重力荷載（重量）約為500,000噸。

為了應對這些巨大的力量，工程師們“將世界貿易中心設計為基本上是一個大型梁截面，”專家組的另一位成員，工程公司McNamara and Salvia的總裁羅伯特·麥克納馬拉解釋說。在業內被稱為結構管，每個雙子塔都用結構鋼牢固地構築。框架包括內部和外部矩形箱形管，這些管由密集的鋼箱柱組成，這些柱透過鋼拱肩構件或桁架樑連線，這些梁支撐著40,000平方英尺的交叉支撐地板，每個地板的面積都將近一英畝，在座的工程師們說。這種配置在建築物周圍形成了一個完整的外部管，並在中間形成了一箇中心管。

他們說，90英尺長的中央核心由巨大的垂直鋼柱組成，這些鋼柱支撐著建築物的大部分重量，其中包含電梯井、樓梯和公用設施空間。核心的柱子在底部較厚，以支撐巨大的累積重力荷載。外圍管是一個緊密的預製格子結構，每個建築表面都有61個14英寸的鋼箱柱（中心間距為39英寸），它提供了所有抵抗風和地震作用引起的側向和扭轉力的支撐阻力。這種外部網格充當力矩框架，提供了一個大的力矩臂（扭矩）來抵抗傾覆和撓曲力。他們指出，外部管承擔了部分重力引起的向下荷載。

巨大的內外矩形管“需要保護以保持其結構完整性，因此地板充當了加固隔膜或艙壁[造船中使用的術語]，”麻省理工學院土木與環境工程教授，專家組成員傑羅姆·康納說。他說，辦公室樓層從核心到外部網格的清晰跨度為35到60英尺，每個樓層都由開放式腹板桁架支撐的面板式結構構件組成，其上方帶有鋼板。根據康納的說法，水平桁架支柱，用螺栓固定並焊接在外部網格和核心柱結構上，包括粘彈性弦，這些弦提供了更大的阻尼，以幫助使結構在風中不那麼活躍。每個鋼製地板都覆蓋著四英寸的混凝土。“每個樓層的面積將近一英畝，並且每平方英尺的面積約為100磅，”他估計，“每個地板系統的重量約為3,200,000磅。”

塔樓為何倒塌

麥克納馬拉說，由於其所有的結構冗餘，“世界貿易中心可能是最耐用高層建築結構之一”，並補充說“如今，他們不再建造像世界貿易中心那樣堅固的建築了”。他的宣告得到了一個事實的支援，即儘管兩架神風特攻隊的飛機突破了多個樓層框架，但雙子塔的支撐結構仍然經受住了最初的撞擊。在北塔北側的約90層至96層以及南塔南、東和北側的約75層至84層刪除了關鍵的結構構件之後，世界貿易中心一號樓和二號樓的骨架找到了承載荷載的替代路徑。每次撞擊和隨後的爆炸首先對結構施加了一個大的區域性側向力，然後對結構施加了一個全向力，共同導致了撞擊高度處的柱和地板系統遭受了巨大的初始損壞。

儘管衝擊和爆炸估計相當於1995年俄克拉荷馬城阿爾弗雷德·P·默拉聯邦大樓的卡車爆炸案（約400噸TNT當量），但塔樓仍然保持直立。“儘管重力系統的一個主要部分受損，但建築物顯示出巨大的屹立能力，並且它們確實屹立了一個小時左右，”麥克納馬拉說。“當其他關鍵構件丟失時，橫向桁架系統重新分配了荷載。它們能支撐這麼長時間是該系統的一個證明。”

報紙和電視新聞報道說，雙子塔的設計目的是承受波音707的碰撞。9月11日事件表明情況確實如此。“然而，世界貿易中心從來沒有為隨之而來的巨大爆炸和強烈的航空燃油火災而設計，這是一個關鍵的設計遺漏，”麻省理工學院土木與環境工程教授，專家組成員愛德華多·考塞爾說。只有在煤油燃料火災損害了其結構管的完整性之後，塔樓才倒塌：世界貿易中心一號樓持續了105分鐘，而世界貿易中心二號樓則保持了47分鐘。“它專為你在辦公樓中預期的那種火災而設計，即紙張、桌子、窗簾，”麥克納馬拉說。爆發的航空燃油火災的燃燒溫度遠高於辦公室內典型物品的溫度。“在華氏800度左右時，結構鋼開始失去強度；在華氏1500度時，一切都不能保證了，因為鋼構件會明顯減弱，”他解釋說。

有些人對保護結構鋼的防火程度提出了質疑。據新聞報道，在1993年恐怖主義卡車爆炸案之後，最初應用於北塔鋼框架和南塔較低30層的石棉水泥防火材料被拆除了。

其他人則指出，航空燃油火災可能燃燒得足夠熱，足以熔化和點燃飛機的鋁製機身結構。鋁是一種自燃金屬，可能會加劇火災。一位訊息靈通的記者認為，熱熔鋁可能會滲入地板系統，造成重大損壞。“鋁熔化成燃燒的‘高腳杯水坑’，這些水坑會聚集在凹陷處，[例如]梁接頭、地板上的維修開口、樓梯井等……高腳杯是白熾的，估計在1800攝氏度下燃燒。在這個溫度下，混凝土中的水合水會汽化並被鋁消耗。這會釋放出燃燒的氫氣。鋁在混凝土中燃燒會產生被白色氧化鋁灰覆蓋的氧化鈣/矽酸鹽爐渣，所有這些都有助於隔離和容納鋁水坑。這會使金屬保持高溫和燃燒狀態。如果你看看波斯灣戰爭期間被摧毀在混凝土掩體中的伊拉克飛機的照片，你會注意到混凝土樓板上燒燬的飛機留下了深深的印記。”

雖然撞擊雙子塔的波音 767 客機比波音 707 稍大（最大起飛重量分別為 395,000 磅和 336,000 磅），但它們攜帶的燃料量與老型號飛機相似，根據考塞爾的說法，約為 24,000 加侖對 23,000 加侖。“可以肯定的是，”他繼續說道，“沒有任何建築物能夠或將能夠抵抗這種火災。”他說，可能已經受損的噴水滅火系統在這種火災面前將毫無用處，並補充說，“世界貿易中心大樓的表現非常出色；它們堅持了足夠長的時間，讓大多數人成功疏散。”

考塞爾還報告說，他已經估算了每座塔樓倒塌過程中產生的能量。“建築物的重力勢能就像大壩後積蓄的水一樣，”他解釋說。當釋放時，累積的勢能會轉化為動能。他計算出，質量約為 500,000 噸（5 x 10⁸ 千克），高度約為 1,350 英尺（411 米），重力加速度為每秒 9.8 米²，總勢能為 10¹⁹ 爾格（10¹² 焦耳或 278 兆瓦時）。“這大約是一顆小型原子彈釋放能量的 1%，”他指出。

麻省理工學院的教授補充說，約 30% 的倒塌能量用於破壞建築物的材料，其餘的轉化為墜落物的動能。倒塌後覆蓋曼哈頓下城的巨大灰色塵雲可能是混凝土樓層在墜落時被粉碎，然後噴射到周圍社群時形成的。“衝擊地面的動能中，只有 0.1% 轉化為地震能，”他表示。“正如哥倫比亞大學的拉蒙特-多爾蒂天文臺（位於距離紐約市約 30 公里處）監測到的，每次事件都造成了一次（規模適度的）2 級地震。”考塞爾總結說，“大部分動能轉化為熱量、材料破裂和下方地面的變形。”

儘管專家小組對導致雙子塔倒塌的失效機制進行了初步思考，但最終原因尚未確定。據報道，國家科學基金會已經資助了八個研究專案來調查世貿中心的災難。美國土木工程師協會正在贊助多項現場研究。與此同時，美國結構工程師協會的結構工程研究所已成立一個調查小組，以分析這場災難並從中吸取教訓。據說，伊利諾伊州斯科基市建築技術實驗室高階副總裁 W. Gene Corley 將領導 ASSE 研究小組進行資料收集的初始階段，然後由位於芝加哥的 Skidmore Owings & Merrill 公司的結構工程師 William Baker 領導後續的分析階段。結構工程研究所將與美國鋼鐵建築學會、國家消防協會和消防工程師學會合作。聯邦緊急事務管理局也被邀請加入。

塔樓如何倒塌

鑑於對於倒塌如何發生缺乏確鑿的結論，麻省理工學院的小組成員要求聽眾考慮他們提出的各種理論。總體而言，大家一致認為，隨著每個塔樓頂部的結構發生彎曲和削弱，框架連同混凝土板、傢俱、檔案櫃和其他材料，變成了一個巨大的整體重量，最終壓垮了下方結構的較低部分。框架構件如何失效的細節仍存在爭議。

康納教授的理論側重於垂直和水平結構構件如何連線在一起的弱點。他解釋說，在建造過程中，每個預製樓板系統都由起重機吊起，並“像鉸鏈一樣在末端支撐，在那裡它們透過螺栓和焊接固定到內部和外部框架管”，因此一部分重力載荷透過核心傳遞，另一部分透過外部結構傳遞。“樓板桁架位於樑上，並被固定，以便核心與外部鎖定，”他說。“這是一個不尋常的系統，而且非常輕便。但是，如果你失去了它們之間的連線，你就會失去承受樓板載荷的能力，並允許樓板在應力下前後滑動。如果受損的樓板系統墜落，它會破壞較低樓層的末端連線，樓層會一層層向下墜落。”

“在我的理論中，高溫削弱了支撐接頭連線，”康納繼續說道。“當它斷裂時，樓板的一端墜落，損壞了下方的樓板系統，同時將仍然連線的垂直構件向建築物中心和下方拉動。”他說，這種現象啟動了一個寄生過程，加速直到完全失效，結構坍塌。

愛德華多·考塞爾提出了另一種失效解釋，他承認這是由西北大學教授茲德內克·巴贊特獨立提出的。“我認為，強烈的熱量軟化或熔化了結構構件，即樓板桁架和柱子，使它們變得像口香糖一樣，這就足以引發倒塌，”他說。“樓板桁架很可能是第一個下垂和失效的。一旦上層樓板失去支撐，失效的樓板系統的碎片就會像雨點一樣落在下層樓板上，最終導致它們屈服，從而開始一個不可阻擋的序列。動力非常大，以至於向下的運動變得不可阻擋。”

透過兩個簡單的模型，考塞爾能夠確定，上層建築物部分墜落到一個樓板上必定會導致動力超過建築物設計載荷至少一個數量級。他還進行了一些計算機模擬，表明建築物材料幾乎不受限制地以接近自由落體的速度下落。“塔樓的阻力系統沒有發揮任何作用。否則，下落的持續時間會延長，”他指出。事實是，碎片從頂部到達地面大約需要 9 秒鐘。

“很難判斷首先發生哪種失效機制；可能所有機制都發生並相互作用，”麻省理工學院土木與環境工程教授、小組成員奧拉爾·布尤克佐圖克說。“長時間的高溫很可能導致柱子彎曲、樓板倒塌，以及接頭失效後樓板的剪下。”他指出，災難的錄影帶顯示，南塔的頂部在倒塌前出現了一些傾斜。“這表明一個建築面彎曲，而相鄰的面彎曲[受到張力]。”此後，塔的上部顯示出解體，隨後出現“動態效應和放大過程”，導致漸進式倒塌——“一種疊餅或紙牌效應”——直至地面，布尤克佐圖克說道。

考塞爾回答了人們經常提出的問題，即為什麼塔樓沒有像倒下的樹一樣傾倒。“樹是實心的，而建築物大部分是空氣或空的空間；只有大約 10% 是固體材料。由於下面沒有堅實的樹樁迫使其向側面傾倒，因此建築物無法傾倒。它只能坍塌到自身上。”羅伯特·麥克納馬拉說，他的失效機制理論“側重於將結構固定在一起的連線”，但他警告說，“我們真的需要等待詳細的調查，才能決定我們是否必須提高這些標誌性結構中連線的程式碼等級。”

保護摩天大樓的居住者

在吸取經驗教訓後，專家小組隨後將注意力轉向未來高層建築的變化。“儘管最近的災難在 20 世紀 70 年代無法被視為設計情景，但這意味我們必須改變未來設計和建造高層建築的方式，”布尤克佐圖克說。

現有的摩天大樓可能應該進行一些額外的安全措施改造，但教授們表示，在經濟上和美學上，對它們進行物理保護以避免類似的災難是沒有意義的。“改造非常昂貴，因此通常只對紀念性建築物進行，”康納說。

“永遠不會有不會倒塌的建築物，”考塞爾指出。“我們能做的最好的事情是確保它能堅持足夠長的時間讓所有人都逃脫。”早在世貿中心建成時，似乎沒有人預料到需要一次性疏散整個大型建築物。為了成功地做到這一點，意味著提高建築物的結構冗餘度，即提供輔助系統功能的額外手段。小組成員討論了為結構構件提供改進的防火措施，為受損結構提供替代載荷路徑，以及將隔膜樓板梁更牢固地固定到垂直構件上。還提到了在未來的大型結構中安裝防爆、吸能材料（如混凝土包裹的鋼製外柱）和/或空腔（鋼筋混凝土核心）的想法，這些材料可以幫助它們倖存下來，或者至少促進以某些較慢、危害較小的順序失效。

一位不願透露姓名的西海岸結構工程師在一位聽眾提出，安裝樓板接頭加固以提高冗餘度將比原始建築物成本高出約 10% 時，引發了一個令人深思的時刻。“根據我們的分析，這可以為疏散期增加幾個小時，”他表示。“如果每座塔樓的建造成本約為 10 億美元，那麼額外花費 1 億美元就可以挽救大多數居住者的生命。儘管這很可怕，”他繼續說，“出於保險目的，一個人的生命價值約為 100 萬美元，因此這有助於將額外的投資納入考慮。畢竟，世界貿易中心安裝了 10,000 個粘彈性阻尼器以減少其搖晃，因此安全改進不容忽視。即使再次發生災難的可能性很小，建築客戶也必須變得更嚴格……”

該小組還考慮了提高建築物安全系統有效性的必要性。考塞爾指出了雙子塔緊急通訊系統的問題（“當協調最為關鍵時，人們不知道該做什麼”）、緊急照明系統和防止煙霧的措施（“建築物火災中的最大殺手是吸入煙霧”）。他還建議應投入更多精力來建立“替代逃生路線，以便疏散人員不會面臨煙霧牆。如果兩個樓梯井靠得很近，”他指出，“一次爆炸可能會阻塞它們。”其他提出的想法包括安裝更好的滅火系統，使用航空火災中使用的水成膜泡沫，併為消防員建立受保護的通道。還提到了需要加固樓梯井和疏散通道，並可能開發“可部署的疏散系統”供建築物居住者使用。除了機器人樓梯疏散裝置外，可部署的系統可能包括從窗戶部署的逃生管、外部人員下降機、飛行平臺甚至降落傘。”

一位聽眾問專家小組，像目前的最高紀錄保持者，位於馬來西亞吉隆坡的 452 米高的雙子塔這樣的鋼筋混凝土摩天大樓是否能更好地抵抗裝滿燃料的飛機撞擊。他們的回應表明，混凝土結構可能比鋼鐵世界貿易中心大樓多堅持幾個小時。羅伯特·麥克納馬拉表示，許多最近的超高層建築主要由鋼筋混凝土建造，主要是因為亞洲的鋼鐵成本很高。他還提到，雙子塔包含“安全避難層”，以便建築物居住者在火災中獲得新鮮空氣。麥克納馬拉說，這個概念現在有些信譽掃地，因為世貿中心類似的避難所最終不會救任何人。

隨後，大家就恐怖分子飛行員是否知道撞擊建築物以達到最大效果的地點展開了熱烈的討論。麥克納馬拉認為撞擊的位置似乎很重要。“他們擊中了恰到好處的位置，大約在三分之二到四分之三的高度。早期的[卡車炸彈]襲擊表明，底部爆炸效果不大，而且從頂部比從底部更容易使建築物倒塌。如果他們撞擊的是建築物的最頂部，那麼火災造成的破壞就不會如此災難性。在底部，柱子更重更堅固，因此它們可以承受更大的載荷。”康納認為，“需要研究生級別的工程訓練才能選擇最佳目標位置。”

在世界貿易中心災難發生後，人們提出了未來是否應該建造超級摩天大樓的問題。顯然，這些頂級工程師會明確地回答“肯定”。他們說，新的高塔必然會拔地而起。