“倘若一個建造者為屋主建造一幢房子…而工程不完善…應由該建造者出資修繕,。”

----《漢謨拉比法典》

“一棟建筑物的意外死忘經(jīng)常起源于骨架,，亦即結構的破壞,。”結構工程師初做設計時膽子很大,，認為結構倒塌是很遙遠的事,，有諸多系數(shù)保證結構安全，而整體失效的概率極低,。心存僥幸的我們漸漸拋棄了對結構的敬畏,。然而，建筑因結構破壞而意外倒塌的案例從未間斷過,。

 鐵戒/Iron Ring

1900年,，加拿大魁北克大橋開始修建，橫貫圣勞倫斯河,。橋梁設計總長987m,，懸臂段長度達177m,，中間段桁架長度195m擱置在南北側的懸臂端上。在橋梁的設計和建造過程中,，年輕的工程師Theodore Cooper和Peter L.Szlapka未能履行應盡的職責,。為了建造當時世界上最長的橋梁，工程師Cooper盲目自信,，未經(jīng)過嚴密計算就擅自增加了橋梁主跨度,；沒有準確計算橋梁的荷載，使得實際自重荷載大大超出了橋梁的設計承載能力,。

魁北克大橋原始設計圖

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)象沒有引起工程師Theodore Cooper的重視,。1907年8月29日,，南側的懸臂段發(fā)生了垮塌。建造了四年之久的大橋在15秒種掉進了圣勞倫斯河,，同時帶走了75個人的生命,。

1907年 魁北克大橋垮塌

1913年，大橋重新設計建造,。然而,，悲劇再次重演。1916年9月,，由于施工起重裝置的問題,，中間段桁架在安裝過程中掉落到河中，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)種種災難,，1917年大橋終于建成通車，成為迄今為止懸臂最長的大橋,。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 魁北克大橋安裝過程

為了銘記這次工程災難,，加拿大七所工程學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)的學生,，取名“工程師鐵戒/Iron Ring”,。這枚戒指代表著工程師的責任和謙遜，提醒我們不要忘記歷史的教訓,。

受加拿大工程師鐵戒傳統(tǒng)的影響,，1970年美國建立的工程師職責協(xié)會(Order of the Engineer)，開始在工程學本科畢業(yè)生中授予鐵戒?，F(xiàn)在,，美國各州的工程師協(xié)會,，將舉行工程師職責領受儀式(the obligation of the order)?！咀ⅲ何哪└接忻绹I受儀式的誓詞,。】

鐵戒/Iron Ring

 stainless steel version, issued circa,，2013

美國凱悅酒店人行連廊坍塌事故

1987年落成的美國堪薩斯市凱悅酒店,，在南北樓之間是一個長寬約36米x44米、挑高15米大廳,。大廳上方是由鋼結構桁架搭建的屋頂,。為了聯(lián)系南北樓之間的人行交通，在2~4層分別設置了3個連廊通道,。連廊從大廳上空穿過,，位于三層和四層的連廊分別通過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,，每跨長度9米,，兩端分別通過固定和滑動支座擱置在南,、北主樓結構上。

二層,、四層連廊通道吊掛結構(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，連廊上觀賞的人群也隨著樂曲旋律起舞,。人們先是聽到一聲巨響,，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，這次事故是美國歷史上最嚴重的結構性毀損災難),。

已經(jīng)坍塌的二層,、四層連廊和仍完好的三層連廊

調查工作隨即展開。事故發(fā)生時有63人在連廊上靠南一側,，人群活荷載相當于設計活荷載(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下產(chǎn)生共振,。也有人懷疑是建筑材料的質量,，或者螺栓安裝,、焊接質量的問題。在相當長的一段時間里,，卻沒有人懷疑(或是不愿懷疑)是工程師設計的原因,。然而，最終的調查結果證明,，事故的根源正是鋼拉桿與橫向箱形梁的節(jié)點設計問題,。

在四層連廊的吊掛節(jié)點處，直徑約32mm的鋼拉桿(連續(xù)式)貫穿橫向箱形梁,，并通過螺母在梁上緊固鎖定,。橫向箱形橫梁由203mm高的兩根槽鋼通長對焊而成。從受力分析來看,，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)點都只需傳遞一層的荷載,。

原始設計和變形設計：變更后節(jié)點力增大至原設計的2倍

由于吊桿的長度超出了常規(guī)加工長度,，現(xiàn)場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,。具體的作法見下圖,，箱形橫梁(由槽鋼對焊而成)的每個端部留2個孔洞，一個距梁端50mm,，一個距梁端150mm,，上下兩根吊桿分離，并分別用螺帽緊固在橫梁上,，橫梁內未設置加勁板,。承包商提出以上設計變更，結構工程未經(jīng)復核便草草地簽蓋了“同意”印章,。

變更設計后的節(jié)點連接

事后稍加思考,，不難發(fā)現(xiàn)：雖然設計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)點處的剪力增大了一倍,。事故現(xiàn)場調查和后續(xù)節(jié)點試驗結果,，表明結構破壞的起源正是此處，“由槽鋼對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)”,。事故當時聽到的第一聲巨響,，正是吊桿拉穿鋼梁下翼緣時發(fā)出的。

節(jié)點破壞形態(tài)

節(jié)點破壞形態(tài) (事故現(xiàn)場照片)

坍塌后，四層以上的拉桿仍孤零零的吊在屋面下

如果采用了原始設計中的連續(xù)式拉桿節(jié)點,，雖然也不符合設計規(guī)范,，但至少能承受事故發(fā)生的活荷載。工程師沒有盡到應有的職責,，草率地同意承包商的設計變更,，沒有驗算節(jié)點的承載能力。實際上,，對于這個不合理的節(jié)點形式,，沒有成熟的公式計算其設計承載力。正是這樣一個小小的疏漏,，造成了數(shù)百人死傷的災難,。[注：小i認為，只要在箱形橫梁內增加2塊加勁板傳遞剪力,，該節(jié)點即可能達到需求的承載力,。]

調查結束后，直接責任設計師Jack D.Gillum被永久吊銷了在密蘇里州的執(zhí)業(yè)執(zhí)照,。美國修訂了法規(guī),，要求涉及到公眾的建筑，必須經(jīng)過政府指定的獨立結構工程師審核結構的安全要求,。美國土木工程師協(xié)會在協(xié)會規(guī)則中向結構工程師強調了“你要為自己蓋章的設計負責,！”。美國凱悅酒店人行連廊坍塌事故,，值得每個結構工程反思,、深省,。

法國戴高樂機場2E候機廳坍塌

2004 年5 月23 日,巴黎戴高樂機場2E候機樓在投入使用2年多后,，屋頂結構突然坍塌，造成4人遇難,。該建筑由著名建筑設計師Paul Andreu安德魯設計,，引起了國際上的廣泛關注。當時安德魯也是國家大劇院的設計師,，而且事故遇難的人中有2名中國人,，安德魯和他的設計飽受國人質疑。

巴黎戴高樂機場2E候機樓,，紅色為發(fā)生坍塌的部分

事故現(xiàn)場照片

2E候機樓的結構屬于非常規(guī)結構形式,，見下圖結構模型。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。結構不是純粹的殼體結構，左右段結構在荷載下承受了較大的彎矩,，外側受拉,。因此設計師在混凝土殼體外側用鋼結構進行了加強，通過間隔的撐桿將鋼結構與混凝土殼體連接,，整體結構支承下部框架的縱向梁上,。

候機樓橫向剖面

候機樓主體結構模型

2E候機樓的結構形式、構造的適用性,、混凝土蠕變及溫度效應均超過了現(xiàn)行規(guī)范的范圍,。

混凝土殼體開洞

屋蓋殼體上有規(guī)律地開了一些小洞,在登機橋接入的位置開了較大的洞口，對結構的承載能力削弱很大,。

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

 戴高樂機場2E候機樓是在沒有明顯外加荷載下突然坍塌的。調查表明結構承載力的儲備很低,，并且分析中沒有計算整體的溫度作用,，詳盡地考慮各種不利因素。現(xiàn)在我們可以厘清結構破壞的過程： 

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

2. 在結構建成后的2年多時間里,，超長的候機樓結構隨承受著溫差的反復作用，裂縫擴展,，結構損傷不斷累積,，承載力逐漸降低。事發(fā)時的氣溫是4.1攝氏度,，為當月的最低溫度,。【小i猜想：坍塌的部分位于整個候機樓的中部,，正是溫度作用最大的位置,。】

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

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

5. 北側結構失效后,，中部屋面的殼體作用不再成立。結構沒有備用的傳力路徑,，屋面相繼坍塌,。

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

7. 坍塌的結構砸壞了登機橋。

鋼撐桿與混凝土殼的連接節(jié)點

勒.墨休里曾說過,，'當你跳出了慣用的設計方法時,，就應該用10倍的努力，進行10倍的調查研究,，尤其是在大尺度的項目上',。一種新的設計應該以最新的理論以及實驗研究成果去驗證，如果創(chuàng)新的設計超越傳統(tǒng)結構的限定時,，應對基本的結構理論持懷疑態(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、羅馬尼來布加勒斯特穹頂?shù)?，都是由于設計錯誤或設計缺陷導致的工程事故,。有些是因為認知不足，有些是溝通有誤,，有些是操作不當,，有些是因為粗心犯下的錯誤,，但都可以歸咎于工程師缺乏對結構的敬畏和責任心,。

在結構領域里，僅靠技術進步無法確保減少事故,，甚至會因盲目自信而增加事故的發(fā)生,。希望以上幾則事故案例能給工程師們警醒，保持嚴謹?shù)膽B(tài)度,、心懷敬畏地做結構設計,。