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建筑结构丨后果不堪设想!35米高跷撑起世界第7高楼,一位学生发现致命缺陷

来源:徐德文科学频道(ID:xudewen028)
一座59层279米高的摩天大厦矗立在市中心,是当时地球上第7高的建筑,周围就是繁华的商业区,人来人往,车水马龙。
然而这座摩天大楼却存在一个致命的设计缺陷,再加上施工时的偷工减料,一旦一场风速超过113公里/小时的飓风经过,这座摩天大楼就可能轰然倒塌。
一位土木工程专业学生偶然发现了这个问题,告知了设计者,重新计算后确认了这个设计缺陷,补救措施迅速开始展开。
然而就在这个时候,一场时速超过220公里/小时的飓风向着这个城市扑来,补救措施没有任何可能在飓风到来之前完成,这座大厦及周围民众的命运究竟如何呢?

高跷上的大厦

这座大厦就是美国纽约的花旗集团中心,高达279米,顶部呈45度角,建筑费用高达2亿美元,1977年建成后就成为地标式的建筑,是当时世界上第7高的摩天大楼。
花旗银行中心的设计非常独特,整个楼体矗立在5根35米高的方柱子上。这是因为该建筑位于圣彼得福音派路德教堂的上方,教会允许花旗修建大厦的条件,就是你们只要别碰到教堂,怎么修都没关系。
设计这栋大厦的任务落到了建筑师休·斯塔宾斯(Hugh Stubbins)和著名结构工程师威廉·拉梅雪(William LeMessurier)身上。拉梅雪坐在一家希腊餐厅里想啊想,随手拿过一张餐巾纸画了起来,结果就想出了这个天才的设计方案:
用5根柱子,9层高跷将整座大厦架空在教堂的上方,为避开教堂,四周的方柱必须放在每一侧的中间;
但这样一来建筑物就不太稳定了,所以拉梅雪就设计了人字形的支撑结构,上面以八层V形结构作为骨架;
但这样一来建筑物又太轻了,风一吹就会随风摇曳,拉梅雪又加了一个400吨重的调谐质量阻尼器,以让大厦保持稳定。
天才设计,完美无缺!1977年大厦建成,该拿钱的拿钱,该受表扬的受表扬,一切都那么美好。

学生发现严重问题

然而到了1978年,普林斯顿大学一位名叫黛安·哈特利(Diane Hartley)的土木工程专业学生为了写论文,准备用这个建筑做案例,她怀着崇敬的心情参观了花旗银行中心,并请拉梅雪的团队提供了设计资料。计算后她发现,如果有飓风从45度角侧向吹来,这栋建筑是无法承受异常应力的。
哈特利百思不得其解,联系了拉梅雪团队的初级工程师乔尔·韦恩斯坦(Joel Weinstein),当时的建筑规范并不要求计算45度角风的应力,韦恩斯坦向她保证,建筑物是安全的,这样设计更高效。哈特利只是一位本科生,她屈服于韦恩斯坦的话,并在论文中做了引用,但也说明了她计算的45度角风的应力问题。
拉梅雪后来得到了这个信息,重新计算后吓出了一身冷汗,他发现真有45度角吹来的飓风的话,将会使结构上的负荷增加40%,而连接件上的负荷将增加160%。
他把建筑所能承受的风速和气象数据对比后,发现花旗银行中心能够承受55年一遇的风暴袭击,这让他稍稍松了一口气。
然而他很快就觉得有什么不对劲,回到花旗银行中心实地检查后,他倒吸了一口冷气,当初他设计的200个连接处用焊接固定的方案,已被施工方改成用螺栓连接。再加上风暴期间可能停电,导致调谐质量阻尼器无法工作。进一步的计算表明,在这种情况下建筑物只能承受113公里/小时的飓风袭击,相当于16年一遇,也就是说,这栋摩天大厦就是一座定时炸弹,每年有16分之一的可能爆炸!

差点毁于飓风

拉梅雪担心事情曝光后会毁掉他的专业声誉,他和建筑师及花旗集团高层商量后,说服了花旗银行在不通知公众的情况下对大楼进行秘密的紧急维修。
维修方案是在每个接缝的螺栓连接处都加上5厘米厚的钢板,焊死在一起。
由于需要秘密维修,连大厦内办公的人都不能知道,维修工作只能在晚上进行,并在一大早就要停工撤出,需要耗费整整三个月的时间。
在纽约警察局的协助下,各方制定了一个跨越10个街区的疏散计划,3个气象部门24X7小时监视潜在的风暴,并组织了2500名红十字会志愿者待命。
不幸的是,维修进行到第六个星期,加固工作只进行到一半的时候,加拿大水域有记录以来最强的飓风埃拉(Hurricane Ella)已经形成,从哈特拉斯角直冲纽约而来,速度最高达到了220公里/小时,后果已不堪设想!
幸运的是,距纽约市需发出紧急疏散指令仅几个小时的时候,飓风向东移动转向了海面,并突然转向北大西洋方向而去,这场摩天大楼被风吹垮,殃及周围街区的潜在巨大灾难才没有发生。
巧合的是,当时纽约所有的报社都在罢工,所以这件事竟然神不知鬼不觉就隐瞒了下来。
一直到了1995年,作家乔·莫根斯特恩(Joe Morgenstern)偶然听到这个故事并采访了拉梅雪,这个事件才在《纽约客》上公诸于天下。后来BBC播出了关于此事的特别报道,那名学生哈特利才知道她的论文竟然引发了这么多的故事,遗憾的是,著名的结构工程师拉梅雪却从未和她联系过。如果她当时一直紧跟此事,或许现在也是一位著名的建筑设计师了。
拉梅雪后来因为隐瞒问题近20年受到了广泛批评,包括监督不力导致焊接被改为螺栓连接,发现危险未首先考虑公共安全甚至误导公众,隐瞒问题近20年,阻碍了专业人员从该知识中获得技术和道德进步。
所以人性本恶,任何地方都是如此,很多时候道德并不能解决问题,只有严厉的约束和监督,才是避免问题和灾难发生的根本。

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