紐約世貿中心大樓撞擊崩塌之探究

☆ 金文森 ☆

摘要
  2001年9月11日恐怖組織劫持民航飛機,先後偷襲美國紐約市的世貿中心南北兩棟大樓,當飛機撞擊大樓的一瞬間,亦立即引起飛機爆炸起火燃燒。南北兩棟大樓隨後陷入一片火災燃燒,兩棟大樓不久即完全崩塌且夷為平地。本文從建築工程的立場,簡介紐約世貿中心南北兩棟大樓的基本構造,並簡述恐怖偷襲行動的過程,另外又參考國外網路媒體的資料,探討南北兩棟大樓完全崩塌的可能原因。從這次災難中,作者獲得一些啟示,也在本文中提出若干檢討與建議,希望對於建築工程的規畫設計,以及防災救難有所助益。

一、世貿中心大樓構造

(一)基本資料:
1.高度:1,368 and 1,362 英尺(417 and 415 公尺)。
2.地下樓層:地下第一、二層是商品購物中心; 地下第三至第五層是停車場(如圖一)。
3.所有權人:紐約和紐澤西港務局。
4.經費:耗資七億五千萬美元興建。
5.建築師:Minoru Yamasaki, Emery Roth and Sons 顧問公司。
6.工程師:John Skilling and Leslie Robertson of Worthington, Skilling, Helle and Jackson。
7.開工破土:1966年8月5日
8.剪綵啟用:1973年4月4日
9.破壞崩塌:2001年9月11日(恐怖組織偷襲)
         一九九三年,在一次大規模恐怖份子汽車爆炸中,大樓的部份設備受損嚴重,六人喪生,並造成三億美元的損失。一九九五年,拉曼及其他九位回教好戰份子因涉及這起恐怖爆炸案,被以陰謀及爆炸罪判刑。

(二)結構系統:
         Yamasaki建築師和John Skilling工程師以及Les Robertson工程師密切合作設計位於紐約市的兩棟世界貿易中心大樓。在當時這兩棟大樓是全世界高度最高的建築,他們面臨要克服史無前例的困難, 工程師們採用一種創新的結構模式,亦即一種剛性的”四方型中空筒狀” 構造(如圖二),四周密佈鋼柱,每層樓的樓板用桁架構造連接空筒中央的核心與四周密佈的鋼柱。四周的鋼柱用銀色的鋁合金作表面裝飾,每支鋼柱寬度為18.75 英吋,鋼柱與鋼柱的淨間距為22英吋,四周完全沒有窗戶。四方型空筒中央的核心與電梯設置在一起(如圖三),這是一項獨特的工程設計。這兩棟空前超高的大樓外表設計完全沒有採用磚塊、石材、水泥材料。


         為了預防高速電梯產生的強烈空氣壓力可能使得傳統的電梯升降機井挫屈,工程師們設計一種”乾砌牆系統(Drywall System)”固定在用鋼筋強化的核心。為服務110層樓,傳統配置的電梯的升降機井通道約需要佔用低樓層的一半面積。Otis電梯公司發展一種快速且區域性的電梯,乘客可在第44和第78層樓的空中門廊更換搭乘電梯,如此將減半升降機井的數量。這個結構系統令人印象深刻的簡單,其概念得自於美國西雅圖的I.B.M.大樓。
         208英尺寬度的建築物正面外表其實是以鋼材預製的格子狀構造組成,每支垂直鋼柱中心到另一支垂直鋼柱中心的距離約39英吋。垂直鋼柱被當作抵抗風力所造成傾倒的主要支撐結構元件,中央的鋼筋混凝土核心僅承擔建築物的垂直載重。例如一般帷幕牆結構一樣,為配置一個非常輕巧,且最經濟的抗風力支撐結構在最有效的位置,即建築物的外表面,如此可以不必將風力經由樓層的地板傳到中央的鋼筋混凝土核心。辦公室空間內部將不要設立內柱,因此在較高樓層的每一層辦公室會有40,000平方英尺的面積。樓層的地板是由預製輕巧的鋼材桁架構成,鋼桁架支撐混凝土版,鋼桁架地板深度僅有33英吋,從外表鋼柱到鋼筋混凝土核心的跨度距離是60 英尺,樓層的地板如同橫隔膜的作用以增強外牆的勁度去抵抗風載重壓力所造成的側向挫屈外力。連續的樓層地板鋼桁架的支撐處加入橡膠護墊。

二、恐怖偷襲行動簡介

         根據國際媒體的報導,2001年9月11日於美東時間上午八時五十八分,劫機犯劫持美國航空公司飛機,據信是編號11,從波士頓飛往洛杉磯的客機,機上共有九十二人,並衝撞紐約世貿中心大樓北塔,立即引起飛機爆炸起火(如圖四)。上午九時十六分,另一組劫機犯劫持美國聯合航空公司編號175飛機,機上共有六十四人,並衝撞紐約世貿中心大樓南塔,亦立即引起飛機爆炸起火,南塔亦立即引起大火。曼哈頓島濃煙密佈,碎片像下雨一般掉落滿地。



         上午九時四十三分,攻勢蔓延到華府,第三架被劫持的飛機衝撞位於維吉尼亞州的美國國防部大樓,即華盛頓特區的五角大廈,國防部部分建築物毀損,大火燃燒。上午十時三十分,報導傳出第四架被劫持的聯合航空公司編號93的波音七四七班機,由新澤西州飛往舊金山途中,在賓州距匹茲堡八十英里附近墜機,機上有九十人。前三架被劫持的飛機重創美國的金融中心與國防部門。
         紐約世貿中心大樓是美國最重要的地標之一,平時有超過四萬人在此上班工作,因此消防隊員與警察人員迅速衝進大樓滅火與救援。不幸的是南北兩棟紐約世貿中心大樓先後逐漸崩塌(詳如圖五),世貿中心南塔於上午十時七分先倒塌。在上午十時二十七分,世貿中心北塔的摩天樓在爆炸聲中倒塌,紐約世界貿易中心摩天大樓化為廢墟。
         接著,聯邦航空管理局為防止客機再遭劫持進行攻擊,下令所有國內客機停飛,全美的警力也加強警戒。美國隨後關閉與墨西哥和加拿
大的邊界。美國總統布希在下午發表談話,誓言將追緝作案歹徒到底,予以嚴懲。直到2001年9月12日11:43 a.m.紐約世貿中心大樓起火燃燒的衛星照片詳如圖六,白色灰塵與煙霧仍然充天。




三、大樓崩塌原因探究

         從有線電視新聞節目中看見,國內某位建築師表示可能是大樓內部同時被放置炸彈一起引爆,所以造成大樓完全崩塌。也有位技師表示可能在一九九三年一次大規模恐怖份子汽車爆炸中,大樓的樑柱接頭已經鬆動,或其他部份結構已受傷害,所以造成大樓完全崩塌。還有其他許多解釋,可謂眾說紛紜。另外有一種說法如下:
         在飛機初步撞擊大樓時,大樓已嚴重損壞,但還不至於毀滅性地損害。很明顯的看出飛機撞擊大樓時,大樓若干樓層四周的大部份鋼柱可能已經破壞,且可能已衰減大樓整體的勁度,但是還不至於立即造成完全崩塌。然而當大火在較高樓層肆虐時,高熱會逐漸影響材料的行為。大火因飛機滿載的汽油持續猛烈燃燒,產生非常高的溫度。鋼結構材料的強度明顯會衰弱,彈性模數劇烈降低,結構勁度同時驟減,結構變形增加。現代鋼結構設計只是防火一段時間,例如利用防火材料抑制火災,或利用消防
灑水頭噴水幫助滅火,以防止鋼結構過度暴露在高溫中。如此在鋼結構嚴重損害前,可讓居民有時間逃離現場,並讓消防隊滅火。
         有可能大火在密閉無窗的環境中,捲入辦公室易燃物品,與飛機滿載的汽油混合加速燃燒,這種情形比一般典型的辦公室火災更快,更嚴重。有可能鋼質材料的強度在燃燒後大幅衰減,加上飛機初步撞擊的傷害,先造成地板的桁架結構系統破壞,或周圍殘破的鋼柱,或中央核心,或幾項結構系統連合破壞。先造成地板的桁架結構系統破壞,會造成周圍鋼柱挫屈。無論是那一種組合破壞先發生,都可能造成飛機撞擊處,至少一個完整的樓層破壞。一旦一個完整的樓層破壞,其上面的所有樓層將開始陸續墜落。其上面的所有龐大質量的樓層所墜落的動量,會壓垮火災樓層以下尚未燃燒的結構,造成整棟結構崩潰。[1]
         南塔比較晚被攻擊,卻先崩潰。可能是被攻擊處比北塔要低很多樓層,一旦南塔一個完整的樓層燃燒破壞,其上面的有更多樓層的重量加上墜落的動量,先傾斜壓垮火災樓層以下尚未燃燒的結構。北塔被攻擊處比較高,所以延遲崩潰。北塔崩潰時是垂直向下壓垮火災樓層以下尚未燃燒的結構。南塔與北塔的破壞機構類似,都是撞擊與火災的組合。但南塔可能僅有一側的結構特別嚴重地提早損壞,導致火災樓層以上的樓層傾斜崩潰。
         然而現有證據僅能從照片或電視台畫面看到,到底是周圍的鋼柱先破壞,或是中央核心先破壞也不得而知,因為這兩棟大樓的質量將近1,000,000 噸,要從廢墟中找出答案極為困難。幾層殘廢的大樓表面鋼柱仍然連接在一起,傾斜站立在地面上(如圖七所示)。




三、大樓崩塌原因探究

         紐約世貿中心大樓為什麼會完全迅速崩塌? 紐約世貿中心大樓設計時有沒有考慮地震力或撞擊力?另一方面的看法[2]認為,據資料顯示紐約世貿中心大樓設計時有考慮承受地震或撞擊力,由飛機撞上大樓時,並未立即造成大樓倒塌可以印證,大樓完全迅速崩塌可能是飛機油料的燃燒結果。混凝土核心在大火中雖然未熔化,卻已損傷。一旦鋼桁架樓地板破壞,骨牌效應將會產生。也就是說上層未破壞的樓地板將向下疊壓,直到全部壓垮為止,這樣說明解釋大樓並未完全傾斜翻倒的理由。鋼結構大樓通常設計要抵抗二至三小時的火災,以便疏散居民及滅火,而二至三小時要疏散五萬人似乎不容易。但紐約世貿中心大樓約一小時就崩潰,可能是料想不到的飛機燃油造成。Hyman Brown 先生是紐約世貿中心大樓的專案工程師,他花六年時間負責按照設計監造施工。他認
為飛機並未造成大樓倒塌,而是24,000 加侖 (91,000 公升) 的航空燃料油造成火災,大火及極熱的高溫熔化鋼材,造成骨牌效應摧毀大樓。[3]
         英國紐凱索(Newcastle)大學結構工程教授John Knapton對BBC即時新聞表示,紐約世貿中心大樓已經表現得非常好,他認為結構的完整性已挽救回許多性命。結構工程師Chris Wise表示是火災摧毀大樓,地球上沒有任何大樓可以在這種溫度和大量的燃油下倖存。攝氏800度的火災足以使任何大樓的核心挫屈且倒塌,混凝土核心無法再保護大樓。鋼柱可能熔化,地板可能熔化,最後可能一層壓一層的崩塌。[4]

四、檢討與建議

         紐約世貿中心大樓遭受恐怖份子攻擊而崩塌,這是人類的悲哀,也是建築工程界的悲哀。我們工程界應痛定思痛檢討有關的缺失與問題,以減低或避免未來類似災害繼續重演。以下提出若干建議,提供各位工程界先進參考,並請指教。

(一)學術研究方面
     1.分析與實驗
         紐約世貿中心大樓實際崩塌的過程到底是如何?要想獲得真正原因建議可以作一些模型實驗求證,或作電腦程式分析模擬驗證,這是一個值得進行研究的題目。研究的成果有助於改善現有大樓結構的安全,或者對於未來全新的大樓結構設計,也可以特別注意強化大樓結構,防範悲劇重複發生。
     2.考慮衝撞爆炸力
         紐約世貿中心大樓設計時可能未考慮承受強烈地震,因為紐約市並非強震地區。然而飛機撞擊力再加上瞬間爆炸力,也可能已經造成相當嚴重的破壞。紐約世貿中心大樓曾經歷幾次颶風,幾次小火災,甚至於一次炸彈攻擊都未崩潰。可見紐約世貿中心大樓原先設計已考慮自重及天然外力,但未深思熟慮會有大客機裝滿油料撞擊大樓。高層建築當遭受衝撞爆炸力的作用時,建築結構會如何反應,建議可以作一些相關的研究,並將研究成果制定成設計規範。一旦臺灣地區若發生戰爭,高層建築可能減少災害。

(二)規畫設計方面
     1.消防設備
         一般的超高層大樓萬一失火,地面的消防車輛通常無法噴射超過二十層樓以上的水柱救火,何況大客機裝滿油料撞擊大樓,引起的火災也不適合用水滅火。超高層大樓的火災需要靠大樓本身的消防設備滅火,至於超高層大樓應如何規畫設計足夠的消防設備,以防範或減輕災害,可能必須詳細探討因應。
     2.外牆窗戶
         紐約世貿中心大樓設計時外表完全沒有可開關的窗戶,而是全部用封閉的玻璃帷幕牆。台北汐止東方科學園區大樓外表也是全部用玻璃帷幕牆,一旦失火形成煙囪效應,火勢在結構內部悶燒,使得內部鋼結構桿件的溫度逐漸上升,強度逐漸下降,加速大樓的破壞。因此建議局部的外牆是否裝設可開關的窗戶,以改善煙囪效應。
     3.逃生梯
         紐約世貿中心大樓設計時,將電梯、逃生梯等公共設施集中於中央核心區域,一旦某一層樓的中央核心區域遭受攻擊破壞時,該層樓及其以上的樓層將阻斷逃生路線。因此建議大樓的四周角落若能再增加設置逃生梯,也許可以讓更多的居民順利逃出大樓,到達空曠的地面。
     4.建築物高度限制
         根據美國當地媒體報導,這個商業區的其他大樓都全倒或半倒,而且周邊十幾棟建築物也受害甚深,有坍塌的可能。附近大樓出現連環倒塌的主因,是受到兩棟110層大樓倒塌瓦礫的衝擊。受到攻擊的雙塔總質量約100萬公噸,最上層從地面算起為417公尺高,水泥塊和鋼骨從417公尺高的地方傾瀉至周圍的大樓上,這些重量對附近大樓造成極大衝擊。美國東岸高樓耐震設計不足,數十萬噸大樓崩塌的衝擊和震動,也可能影響附近建築物的基礎結構。因此建議市區建築物的最高高度應加以合理的限制。
     5.建築物密度限制
         美國世界貿易中心大樓倒塌後,附近的大樓群也嚴重受損,主因是水泥塊和鋼骨大量掉落到附近的大樓上,基礎結構受影響。日本經濟新聞報導,當日美國世界貿易中心大樓倒塌,對附近的大樓群也造成極大損害,距離100公尺以外的大樓也可能會崩塌,影響救援活動。世界貿易中心是250公尺見方的商業區,包括遭受攻擊的兩棟超高大樓共有七棟大樓。遭攻擊的雙塔北棟大樓北邊約100公尺處、47層樓高的第七大樓在爆炸後幾小時後倒塌,之後和南棟隔一條街、距離約150公尺的54層樓建築物也半倒。因此建議市區中超高層建築物的四周應加以合理的禁建,以免超高層建築倒塌波及四周建築物。

(三)研究發明方面
     1.災民降落防護配備
         美國世界貿易中心大樓爆炸起火後,高樓層的部份災民來不及或無法逃到地面,少數災民在外牆開口處等待救援,但火勢在大樓內部悶燒,溫度很高,濃煙也很大。災民等不到外援,也忍不住火燒的痛苦,乾脆跳樓逃生。可惜大樓四周地面並未鋪設充氣橡皮墊板,跳樓逃生的災民可能無一倖存。因此建議研究發明個人可穿著的充氣防護衣帽,或保護身體的降落傘裝置,讓跳樓逃生的災民安全著落地面。或者研究發明攔截防護網,在每隔若干層樓就設置攔截防護網,讓跳樓逃生的災民不至於直接摔到地面。我們曾看過用各種防護裝置包裝一顆雞蛋從高空墜落地面的比賽,有些雞蛋降落地面時並未破裂,可見我們有能力研究發明災民安全降落的防護配備。
     2.空襲預告警報
         飛機不幸墜落市區,或故意撞擊市區大樓之前,若預先發佈空襲警報,警告居民立即撤離疏散,如此可以減少生命的喪失。建議在市區大樓屋頂裝設雷達,隨時偵察即將撞擊大樓的不明物體,並在最適當的應變前置時間內發佈空襲警報,以便撤離居民。
     3.防火材料
         世界貿易中心大樓因為火災燒毀結構元件,因為鋼骨在攝氏500度附近,強度會急遽降低減少到一半左右,導致大樓完全崩潰。若能夠研究發明可以防火的構件材料,取代鋼結構元件的怕火缺點,但仍然具備鋼結構元件的高強度、耐震且輕巧的優點,那麼這次大樓完全崩潰的災害也許可以避免。

(四)教育訓練方面
     1.逃生演習
         超高層大樓發生災禍時,大樓內部的居民須如何迅速且安全的逃離現場?平時就要擬定逃生計畫,而且要定期實施逃生演習。臺灣地區經常可能受到颱風、地震、火災、水災、戰爭等威脅,我們可見得需要教導民眾如何逃離災區,到達安全的避難場所。
     2.救災人員專業教育
         雖然紐約世貿中心大樓站立一小時才崩潰,且讓幾萬人逃生。但大樓內部溫度可能高達攝氏800度,為何讓注定死亡的幾百名救災人員進入虎口。如果事先可預測或確定大樓的崩潰狀況,就要禁止任何人員進入大樓。也許救難英雄不畏懼死亡,也許是救難英雄不知道大樓結構即將崩潰。因為救難英雄沒有學習過鋼結構課程,不瞭解鋼結構材料的特性。建議要開設大樓結構行為的相關課程,給予救難人員基本的專業教育。
     3.快速挖掘救難計畫、方法與技術訓練
         高層建築物倒塌後,應如何快速、有效的挖掘廢墟的建材,如何在72小時黃金時間內搶救災民的生命,需要我們研擬完整的救難計畫,訂定良好的救難方法,建立優秀的救難技術,並且平時加強訓練,以便達成搶救災民的任務。

五、結語

         紐約世貿中心大樓遭受飛機撞擊,爆炸起火燃燒,兩棟大樓完全崩塌。這是建築工程上史無前例的災難,也是人類的悲劇之一。除了政治因素之外,從營建工程的立場來看此一不幸事件,確實獲得許多的啟示,也學習到相當多的教訓。本文大致簡介紐約世貿中心大樓的基本構造,也初步探究兩棟大樓完全崩塌的原因,另外提出一些檢討與建議,以作為工程界的參考,疏漏之處並請工程先進指教。因為我國目前仍處於可能遭受武力威脅的狀態,希望我們今後須要痛定思痛,引為殷鑑,以避免或減輕類似的災害發生。■

六、參考文獻

1.Department of Civil Engineering, “World Trade Centre - New York - Some Engineering Aspects”, The University of Sydney, Sept. 12, 2001, http://www.civil.usyd.edu.au/wtc.htm
2.Dahlia Lithwick, “Why Did the World Trade Center Towers Collapse?” Posted Tuesday, Sept. 11, 2001, at 1:28 p.m. http://slate.msn.com/code/Explainer/Explainer.asp?Show=9/11/2001&idMessage=8265
3.Roger O'Neil , Fall of the twin towers, NBC NEWS, Sep. 15, 2001, http://msnbc.com /news/627411.asp?cp1=1
4.Sheila Barter, “How the World Trade Center fell”, Thursday, September 13, 2001, BBC News Online, UK, http://news.bbc.co.uk/hi/english/world/americas/newsid_1540000/1540044.stm