9/11事件震驚了世界。在那一天之前，我們無法想象有人會如此大膽和殘忍地實施如此暴力。我們無法想象兩座標誌性的110層摩天大樓會在美國城市中心倒塌，在各個方向數百英尺範圍內撞擊和壓碎其他建築物。我們問自己：“這怎麼可能發生？它們怎麼會倒塌？” 這些都是自然而然的問題，表達了我們在那天感受到的巨大損失。
結構工程師也問了這些問題，但他們也提出了一個對比鮮明的問題：世界貿易中心大樓是如何在襲擊中支撐下來的，即使只是短暫的支撐？破壞是廣泛的。以接近最高速度飛行的商用飛機撞擊了大樓，在外牆上切開了寬闊的裂口，並造成了廣泛的內部破壞。難道這還不足以立即導致倒塌嗎？
雙子塔的設計目的不是為了抵抗它們所經歷的那種破壞。充其量，在設計時，人們擔心失控的飛機可能會意外撞擊其中一座塔樓。工程師可能認為，任何一座建築物內的火災都可能僅限於一層樓，並且灑水系統會正常工作。
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我們看到的情況截然不同。許多關鍵結構構件瞬間被摧毀，多層樓同時燃起大火，灑水器也被毀壞。建築物之所以能夠屹立不倒，儘管只是短暫的，主要是因為它們的結構具有支撐重量的冗餘機制。
您已經看過 9/11 事件前塔樓的照片。外牆有狹窄的窗戶，兩側是間距異常緊密的鋼柱。在地板層還有深梁，形成了覆蓋建築物表面的密集的鋼製格柵。
大部分焊接是在場外進行的。三層樓高、三列寬的格柵面板在工廠預製，然後運到曼哈頓市中心。為了增強強度，這些面板在垂直方向上交錯排列，就像拼圖的碎片一樣，因此它們的所有頂部和底部不在同一樓層水平對齊。
每棟建築物的四個側面形成一個帶有窗槽的管子。這個管子的設計目的是將建築物及其內部物體的重量直接向下傳遞到地基。牆壁充當垂直梁，像建築物一樣寬而高，彎曲到側面以吸收風荷載。
當飛機在外牆上切斷幾排柱子和梁時，損壞上方區域的格柵形成了幾層樓深的水平梁，以跨越裂口。與此同時，損壞的外牆部分懸掛在上方結構上。
間距緊密的結構構件的強度使得牆壁能夠稍微下垂而不會完全失效。在這種狀態下，屹立的塔樓使得碰撞樓層下方和周圍建築物中的許多居住者得以逃生。
最終，當塔樓內部的強烈火災削弱了支撐外牆的地板系統時，破壞最終發生。當牆壁屈曲時，建築物上部像積木一樣墜落，並在墜落時被驅動穿過下層樓層，很像斧頭頭劈開木頭一樣。
我們也知道五角大樓在 9/11 事件中也遭到了飛機襲擊。可能不太為人所知的是，一些受損區域在倒塌前支撐了大約 20 分鐘。五角大樓有五層樓高，一架飛機撞擊了其一樓，削弱了那裡的許多柱子以及上面一層樓的幾根柱子。然而，它支撐了足夠長的時間，讓上面三層的所有人在倒塌前撤離。
五角大樓具有鋼筋混凝土框架，帶有“雙向”地板系統：梁在柱子之間雙向延伸，提供支撐重量的輔助機制。當柱子被摧毀時，上方的建築物下垂。但是縱橫交錯的地板梁充當了一個網，支撐著損壞區域的上方。
基本上所有的混凝土柱子，包括五角大樓的柱子，都包裹著嵌入式豎向鋼筋，這些鋼筋與混凝土一起承受重量。混凝土柱子還具有水平鋼筋，這些鋼筋包裹並支撐豎向鋼筋，並將混凝土約束在中間。正如 20 世紀 40 年代五角大樓建造時常見的那樣，水平鋼筋被彎曲成螺旋形，圍繞豎向鋼筋一圈又一圈地纏繞，貫穿每根柱子的整個高度。
柱子中的鋼筋模式產生了延展性——這意味著它們可以 резко 變形而不會發生致命的斷裂。在豎向和水平鋼筋籠的緊密約束下，許多受損柱子中間的混凝土即使柱子彎曲成香蕉的形狀，在中高處彎曲到鋼筋籠直徑的三倍，仍然保持在原位。即使有如此大的變形，許多嚴重受損的柱子仍然支撐著重量，從而限制了需要充當網的地板區域。
五角大樓最終倒塌的部分遠小於飛機造成的總破壞。與塔樓一樣，它倒塌也是因為強烈的火災進一步削弱了關鍵的梁和柱子。
結構工程行業研究 9/11 事件等事件以改進實踐。許多此類研究由 美國土木工程師學會結構工程研究院(SEI/ASCE)、國家標準與技術研究院和聯邦緊急事務管理局等組織進行，記錄了諸如冗餘和延展性等特性，這些特性增強了對極端襲擊的抵抗力。研究人員和執業結構工程師正在這些資訊的基礎上努力使我們的結構在日常使用中安全經濟，並且在損壞時也能倖存。
特別令人關注的是“不成比例的倒塌”的可能性，即在非常區域性的損壞之後發生的廣泛倒塌。我們預計嚴重的損壞可能會導致倒塌，就像 9/11 事件中那樣，但我們努力防止由常見火災、爆炸或失控的公路車輛撞擊等小事件引起的連鎖倒塌。
在 1995 年俄克拉荷馬城阿爾弗雷德·P·默拉聯邦大樓爆炸事件之後，SEI/ASCE 釋出了新的抗爆炸設計指南。最終導致世界貿易中心和五角大樓倒塌的火災促使 SEI/ASCE 倡導更好地分析火災對建築物的影響。SEI/ASCE 即將釋出關於減輕不成比例倒塌潛力的建議。為了收集和傳播更多資訊，SEI/ASCE 設立了 美國安全結構協同報告，這是一個供工程師分享從失敗中吸取的教訓的交流中心。
像所有人一樣，結構工程師為 9/11 事件造成的人員、物質和社會損失感到悲痛，我們擔心未來會發生災難性的結構破壞。但是，當出現故障時，工程師和建築行業的其他合作伙伴不會自滿。我們研究、我們學習，我們改進。
這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。