“倘若一個(gè)建造者為屋主建造一幢房子…而工程不完善…應(yīng)由該建造者出資修繕?！?/span>

----《漢謨拉比法典》

“一棟建筑物的意外死忘經(jīng)常起源于骨架，亦即結(jié)構(gòu)的破壞。”結(jié)構(gòu)工程師初做設(shè)計(jì)時(shí)膽子很大，認(rèn)為結(jié)構(gòu)倒塌是很遙遠(yuǎn)的事，有諸多系數(shù)保證結(jié)構(gòu)安全，而整體失效的概率極低。心存僥幸的我們漸漸拋棄了對(duì)結(jié)構(gòu)的敬畏。然而，建筑因結(jié)構(gòu)破壞而意外倒塌的案例從未間斷過(guò)。

 鐵戒/Iron Ring

1900年，加拿大魁北克大橋開(kāi)始修建，橫貫圣勞倫斯河。橋梁設(shè)計(jì)總長(zhǎng)987m，懸臂段長(zhǎng)度達(dá)177m，中間段桁架長(zhǎng)度195m擱置在南北側(cè)的懸臂端上。在橋梁的設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中，年輕的工程師Theodore Cooper和Peter L.Szlapka未能履行應(yīng)盡的職責(zé)。為了建造當(dāng)時(shí)世界上最長(zhǎng)的橋梁，工程師Cooper盲目自信，未經(jīng)過(guò)嚴(yán)密計(jì)算就擅自增加了橋梁主跨度；沒(méi)有準(zhǔn)確計(jì)算橋梁的荷載，使得實(shí)際自重荷載大大超出了橋梁的設(shè)計(jì)承載能力。

魁北克大橋原始設(shè)計(jì)圖

en.wikipedia.org/wiki/Hyatt_Hotel_disaster

在大橋即將竣工之際，懸臂段的主弦桿發(fā)生了明顯的扭曲，這一現(xiàn)象沒(méi)有引起工程師Theodore Cooper的重視。1907年8月29日，南側(cè)的懸臂段發(fā)生了垮塌。建造了四年之久的大橋在15秒種掉進(jìn)了圣勞倫斯河，同時(shí)帶走了75個(gè)人的生命。

1907年 魁北克大橋垮塌

1913年，大橋重新設(shè)計(jì)建造。然而，悲劇再次重演。1916年9月，由于施工起重裝置的問(wèn)題，中間段桁架在安裝過(guò)程中掉落到河中，有13名工人在事故中喪生。

1916年 魁北克大橋中間段掉落河中

歷經(jīng)種種災(zāi)難，1917年大橋終于建成通車，成為迄今為止懸臂最長(zhǎng)的大橋。這座大橋原本可以成為不朽的杰作，卻成為了工程界的一種恥辱。

1917年 魁北克大橋安裝過(guò)程

為了銘記這次工程災(zāi)難，加拿大七所工程學(xué)院籌資買下了垮塌的大橋殘骸，打造成一枚枚指環(huán)，每年分發(fā)給從工程系畢業(yè)的學(xué)生，取名“工程師鐵戒/Iron Ring”。這枚戒指代表著工程師的責(zé)任和謙遜，提醒我們不要忘記歷史的教訓(xùn)。

受加拿大工程師鐵戒傳統(tǒng)的影響，1970年美國(guó)建立的工程師職責(zé)協(xié)會(huì)(Order of the Engineer)，開(kāi)始在工程學(xué)本科畢業(yè)生中授予鐵戒。現(xiàn)在，美國(guó)各州的工程師協(xié)會(huì)，將舉行工程師職責(zé)領(lǐng)受儀式(the obligation of the order)?！咀ⅲ何哪└接忻绹?guó)領(lǐng)受儀式的誓詞。】

鐵戒/Iron Ring

 stainless steel version, issued circa，2013

美國(guó)凱悅酒店人行連廊坍塌事故

1987年落成的美國(guó)堪薩斯市凱悅酒店，在南北樓之間是一個(gè)長(zhǎng)寬約36米x44米、挑高15米大廳。大廳上方是由鋼結(jié)構(gòu)桁架搭建的屋頂。為了聯(lián)系南北樓之間的人行交通，在2~4層分別設(shè)置了3個(gè)連廊通道。連廊從大廳上空穿過(guò)，位于三層和四層的連廊分別通過(guò)鋼拉桿吊掛在大廳屋頂?shù)匿撹旒苌希拥倪B廊則用拉桿掛在四層的下方。連廊鋼梁共4跨，每跨長(zhǎng)度9米，兩端分別通過(guò)固定和滑動(dòng)支座擱置在南、北主樓結(jié)構(gòu)上。

二層、四層連廊通道吊掛結(jié)構(gòu)(縱向剖面)

連廊通道橫向剖面 

1981年7月17日，正廳聚集了1600多人參數(shù)舞會(huì)，連廊上觀賞的人群也隨著樂(lè)曲旋律起舞。人們先是聽(tīng)到一聲巨響，隨即二層和四層的通道整體從連接屋頂桁架的吊桿處脫落，一時(shí)間碎片飛散、煙塵彌漫。事故共造成114人死亡，200多人受傷，很多人因此終身殘疾。 (注：在世貿(mào)中心911事件之前，這次事故是美國(guó)歷史上最嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性毀損災(zāi)難)。

已經(jīng)坍塌的二層、四層連廊和仍完好的三層連廊

調(diào)查工作隨即展開(kāi)。事故發(fā)生時(shí)有63人在連廊上靠南一側(cè)，人群活荷載相當(dāng)于設(shè)計(jì)活荷載(5kN/m2)的15%左右。首先被想到的可能是，通道在人們跳舞的激勵(lì)下產(chǎn)生共振。也有人懷疑是建筑材料的質(zhì)量，或者螺栓安裝、焊接質(zhì)量的問(wèn)題。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，卻沒(méi)有人懷疑(或是不愿懷疑)是工程師設(shè)計(jì)的原因。然而，最終的調(diào)查結(jié)果證明，事故的根源正是鋼拉桿與橫向箱形梁的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)問(wèn)題。

在四層連廊的吊掛節(jié)點(diǎn)處，直徑約32mm的鋼拉桿(連續(xù)式)貫穿橫向箱形梁，并通過(guò)螺母在梁上緊固鎖定。橫向箱形橫梁由203mm高的兩根槽鋼通長(zhǎng)對(duì)焊而成。從受力分析來(lái)看，上段吊桿承受了兩層連廊的荷載、下段吊桿僅承受了一層連廊的荷載，而橫梁與吊桿的節(jié)點(diǎn)都只需傳遞一層的荷載。

原始設(shè)計(jì)和變形設(shè)計(jì)：變更后節(jié)點(diǎn)力增大至原設(shè)計(jì)的2倍

由于吊桿的長(zhǎng)度超出了常規(guī)加工長(zhǎng)度，現(xiàn)場(chǎng)施工的承包商將吊桿截為2段，在四層通道的樓面橫梁處搭接。具體的作法見(jiàn)下圖，箱形橫梁(由槽鋼對(duì)焊而成)的每個(gè)端部留2個(gè)孔洞，一個(gè)距梁端50mm，一個(gè)距梁端150mm，上下兩根吊桿分離，并分別用螺帽緊固在橫梁上，橫梁內(nèi)未設(shè)置加勁板。承包商提出以上設(shè)計(jì)變更，結(jié)構(gòu)工程未經(jīng)復(fù)核便草草地簽蓋了“同意”印章。

變更設(shè)計(jì)后的節(jié)點(diǎn)連接

事后稍加思考，不難發(fā)現(xiàn)：雖然設(shè)計(jì)變更前后的鋼吊桿拉力不變，但四層通道樓面的箱形橫梁節(jié)點(diǎn)處的剪力增大了一倍。事故現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和后續(xù)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果，表明結(jié)構(gòu)破壞的起源正是此處，“由槽鋼對(duì)焊而成的箱形梁翼緣板平面外承受力很弱，承受不了吊桿巨大的拉力，最終吊桿拉穿了橫梁的翼緣板，形成了類似沖切的破壞形態(tài)”。事故當(dāng)時(shí)聽(tīng)到的第一聲巨響，正是吊桿拉穿鋼梁下翼緣時(shí)發(fā)出的。

節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài)

節(jié)點(diǎn)破壞形態(tài) (事故現(xiàn)場(chǎng)照片)

坍塌后，四層以上的拉桿仍孤零零的吊在屋面下

如果采用了原始設(shè)計(jì)中的連續(xù)式拉桿節(jié)點(diǎn)，雖然也不符合設(shè)計(jì)規(guī)范，但至少能承受事故發(fā)生的活荷載。工程師沒(méi)有盡到應(yīng)有的職責(zé)，草率地同意承包商的設(shè)計(jì)變更，沒(méi)有驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)的承載能力。實(shí)際上，對(duì)于這個(gè)不合理的節(jié)點(diǎn)形式，沒(méi)有成熟的公式計(jì)算其設(shè)計(jì)承載力。正是這樣一個(gè)小小的疏漏，造成了數(shù)百人死傷的災(zāi)難。[注：小i認(rèn)為，只要在箱形橫梁內(nèi)增加2塊加勁板傳遞剪力，該節(jié)點(diǎn)即可能達(dá)到需求的承載力。]

調(diào)查結(jié)束后，直接責(zé)任設(shè)計(jì)師Jack D.Gillum被永久吊銷了在密蘇里州的執(zhí)業(yè)執(zhí)照。美國(guó)修訂了法規(guī)，要求涉及到公眾的建筑，必須經(jīng)過(guò)政府指定的獨(dú)立結(jié)構(gòu)工程師審核結(jié)構(gòu)的安全要求。美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)在協(xié)會(huì)規(guī)則中向結(jié)構(gòu)工程師強(qiáng)調(diào)了“你要為自己蓋章的設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)！”。美國(guó)凱悅酒店人行連廊坍塌事故，值得每個(gè)結(jié)構(gòu)工程反思、深省。

法國(guó)戴高樂(lè)機(jī)場(chǎng)2E候機(jī)廳坍塌

2004 年5 月23 日,巴黎戴高樂(lè)機(jī)場(chǎng)2E候機(jī)樓在投入使用2年多后，屋頂結(jié)構(gòu)突然坍塌，造成4人遇難。該建筑由著名建筑設(shè)計(jì)師Paul Andreu安德魯設(shè)計(jì)，引起了國(guó)際上的廣泛關(guān)注。當(dāng)時(shí)安德魯也是國(guó)家大劇院的設(shè)計(jì)師，而且事故遇難的人中有2名中國(guó)人，安德魯和他的設(shè)計(jì)飽受國(guó)人質(zhì)疑。

巴黎戴高樂(lè)機(jī)場(chǎng)2E候機(jī)樓，紅色為發(fā)生坍塌的部分

事故現(xiàn)場(chǎng)照片

2E候機(jī)樓的結(jié)構(gòu)屬于非常規(guī)結(jié)構(gòu)形式，見(jiàn)下圖結(jié)構(gòu)模型。屋蓋的跨度為26.2m,分成左中右三段，由寬4m,厚300mm的曲線狀的混凝土板殼單元組成，殼體外覆蓋了玻璃屋面。結(jié)構(gòu)不是純粹的殼體結(jié)構(gòu)，左右段結(jié)構(gòu)在荷載下承受了較大的彎矩，外側(cè)受拉。因此設(shè)計(jì)師在混凝土殼體外側(cè)用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng)，通過(guò)間隔的撐桿將鋼結(jié)構(gòu)與混凝土殼體連接，整體結(jié)構(gòu)支承下部框架的縱向梁上。

候機(jī)樓橫向剖面

候機(jī)樓主體結(jié)構(gòu)模型

2E候機(jī)樓的結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)造的適用性、混凝土蠕變及溫度效應(yīng)均超過(guò)了現(xiàn)行規(guī)范的范圍。

混凝土殼體開(kāi)洞

屋蓋殼體上有規(guī)律地開(kāi)了一些小洞,在登機(jī)橋接入的位置開(kāi)了較大的洞口，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力削弱很大。

2004 年，事發(fā)前約1.5小時(shí)，候機(jī)廳巡警先發(fā)現(xiàn)屋頂出現(xiàn)裂縫，有一大塊混凝土剝離掉下來(lái)(在兩個(gè)直撐桿之間的位置)。隨后混凝土板塊跌落，候機(jī)廳結(jié)構(gòu)整體坍塌，相鄰的登機(jī)橋被砸塌。

 戴高樂(lè)機(jī)場(chǎng)2E候機(jī)樓是在沒(méi)有明顯外加荷載下突然坍塌的。調(diào)查表明結(jié)構(gòu)承載力的儲(chǔ)備很低，并且分析中沒(méi)有計(jì)算整體的溫度作用，詳盡地考慮各種不利因素。現(xiàn)在我們可以厘清結(jié)構(gòu)破壞的過(guò)程： 

1. 混凝土殼厚度小，鋼撐桿處應(yīng)力集中引起了混凝土裂縫。同時(shí)，施工時(shí)混凝土配筋不足或錯(cuò)放加速了裂縫的形成。

2. 在結(jié)構(gòu)建成后的2年多時(shí)間里，超長(zhǎng)的候機(jī)樓結(jié)構(gòu)隨承受著溫差的反復(fù)作用，裂縫擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)損傷不斷累積，承載力逐漸降低。事發(fā)時(shí)的氣溫是4.1攝氏度，為當(dāng)月的最低溫度?！拘猜想：坍塌的部分位于整個(gè)候機(jī)樓的中部，正是溫度作用最大的位置?！?/span>

3. 裂縫發(fā)展到一定程度，混凝土部分剝落，鋼撐桿對(duì)殼體沖切破壞。

4. 失去撐桿作用后，結(jié)構(gòu)體系就不能成立了。外側(cè)的鋼構(gòu)件失效，混凝土殼的抗彎承載力不足以繼續(xù)維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，發(fā)生彎折破壞。

5. 北側(cè)結(jié)構(gòu)失效后，中部屋面的殼體作用不再成立。結(jié)構(gòu)沒(méi)有備用的傳力路徑，屋面相繼坍塌。

6. 在屋面坍塌的過(guò)程中，南側(cè)的支座處產(chǎn)生了較大的推力，導(dǎo)致支座從縱梁上脫落。

7. 坍塌的結(jié)構(gòu)砸壞了登機(jī)橋。

鋼撐桿與混凝土殼的連接節(jié)點(diǎn)

勒.墨休里曾說(shuō)過(guò)，"當(dāng)你跳出了慣用的設(shè)計(jì)方法時(shí)，就應(yīng)該用10倍的努力，進(jìn)行10倍的調(diào)查研究，尤其是在大尺度的項(xiàng)目上"。一種新的設(shè)計(jì)應(yīng)該以最新的理論以及實(shí)驗(yàn)研究成果去驗(yàn)證，如果創(chuàng)新的設(shè)計(jì)超越傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的限定時(shí)，應(yīng)對(duì)基本的結(jié)構(gòu)理論持懷疑態(tài)度。我們提倡大膽假定，但需小心求證。

此外，哈特福德體育館、羅馬尼來(lái)布加勒斯特穹頂?shù)?，都是由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的工程事故。有些是因?yàn)檎J(rèn)知不足，有些是溝通有誤，有些是操作不當(dāng)，有些是因?yàn)榇中姆赶碌腻e(cuò)誤，但都可以歸咎于工程師缺乏對(duì)結(jié)構(gòu)的敬畏和責(zé)任心。

在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域里，僅靠技術(shù)進(jìn)步無(wú)法確保減少事故，甚至?xí)蛎つ孔孕哦黾邮鹿实陌l(fā)生。希望以上幾則事故案例能給工程師們警醒，保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度、心懷敬畏地做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。