“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》
“一棟建築物的意外死忘經常起源於骨架，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，有諸多係數保證結構安全，而整體失效的概率極低。心存僥倖的我們漸漸拋棄了對結構的敬畏。然而，建築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，橫貫聖勞倫斯河。橋樑設計總長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。在橋樑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樑，工程師Cooper盲目自信，未經過嚴密計算就擅自增加了橋樑主跨度；沒有準確計算橋樑的荷載，使得實際自重荷載大大超出了橋樑的設計承載能力。
魁北克大橋原始設計圖
在大橋即將竣工之際，懸臂段的主弦杆發生了明顯的扭曲，這一現象沒有引起工程師Theodore Cooper的重視。1907年8月29日，南側的懸臂段發生了垮塌。建造了四年之久的大橋在15秒種掉進了聖勞倫斯河，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，由於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
歷經種種災難，1917年大橋終於建成通車，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傑作，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，每年分發給從工程系畢業的學生，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的影響，1970年美國建立的工程師職責協會(Order of the Engineer)，開始在工程學本科畢業生中授予鐵戒。現在，美國各州的工程師協會，將舉行工程師職責領受儀式(the obligation of the order)。【注：文末附有美國領受儀式的誓詞。】
鐵戒/Iron Ring
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。為了聯繫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，位於三層和四層的連廊分別通過鋼拉桿吊掛在大廳屋頂的鋼桁架上，而二層的連廊則用拉桿掛在四層的下方。連廊鋼樑共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杆處脫落，一時間碎片飛散、煙塵瀰漫。事故共造成114人死亡，200多人受傷，很多人因此終身殘疾。 (注：在世貿中心911事件之前，這次事故是美國曆史上最嚴重的結構性毀損災難)。
已經坍塌的二層、四層連廊和仍完好的三層連廊
調查工作隨即展開。事故發生時有63人在連廊上靠南一側，人群活荷載相當於設計活荷載(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生共振。也有人懷疑是建築材料的質量，或者螺栓安裝、焊接質量的問題。在相當長的一段時間裡，卻沒有人懷疑(或是不願懷疑)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點設計問題。
在四層連廊的吊掛節點處，直徑約32mm的鋼拉桿(連續式)貫穿橫向箱形梁，並通過螺母在樑上緊固鎖定。橫向箱形橫樑由203mm高的兩根槽鋼通長對焊而成。從受力分析來看，上段吊杆承受了兩層連廊的荷載、下段吊杆僅承受了一層連廊的荷載，而橫樑與吊杆的節點都只需傳遞一層的荷載。
原始設計和變形設計：變更後節點力增大至原設計的2倍
由於吊杆的長度超出了常規加工長度，現場施工的承包商將吊杆截為2段，在四層通道的樓面橫樑處搭接。具體的作法見下圖，箱形橫樑(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，上下兩根吊杆分離，並分別用螺帽緊固在橫樑上，橫樑內未設置加勁板。承包商提出以上設計變更，結構工程未經複核便草草地籤蓋了“同意”印章。
變更設計後的節點連接
事後稍加思考，不難發現：雖然設計變更前後的鋼吊杆拉力不變，但四層通道樓面的箱形橫樑節點處的剪力增大了一倍。事故現場調查和後續節點試驗結果，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，承受不了吊杆巨大的拉力，最終吊杆拉穿了橫樑的翼緣板，形成了類似衝切的破壞形態”。事故當時聽到的第一聲巨響，正是吊杆拉穿鋼樑下翼緣時發出的。
節點破壞形態
節點破壞形態 (事故現場照片)
坍塌後，四層以上的拉桿仍孤零零的吊在屋面下
如果採用了原始設計中的連續式拉桿節點，雖然也不符合設計規範，但至少能承受事故發生的活荷載。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，沒有驗算節點的承載能力。實際上，對於這個不合理的節點形式，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，造成了數百人死傷的災難。[注：小i認為，只要在箱形橫樑內增加2塊加勁板傳遞剪力，該節點即可能達到需求的承載力。]
調查結束後，直接責任設計師Jack D.Gillum被永久吊銷了在密蘇里州的執業執照。美國修訂了法規，要求涉及到公眾的建築，必須經過政府指定的獨立結構工程師審核結構的安全要求。美國土木工程師協會在協會規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年多後，屋頂結構突然坍塌，造成4人遇難。該建築由著名建築設計師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，紅色為發生坍塌的部分
事故現場照片
2E候機樓的結構屬於非常規結構形式，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，通過間隔的撐杆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樑上。
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行規範的範圍。
混凝土殼體開洞
屋蓋殼體上有規律地開了一些小洞,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，事發前約1.5小時，候機廳巡警先發現屋頂出現裂縫，有一大塊混凝土剝離掉下來(在兩個直撐杆之間的位置)。隨後混凝土板塊跌落，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，並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。現在我們可以釐清結構破壞的過程：
- 混凝土殼厚度小，鋼撐杆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。
- 在結構建成後的2年多時間裡，超長的候機樓結構隨承受著溫差的反覆作用，裂縫擴展，結構損傷不斷累積，承載力逐漸降低。事發時的氣溫是4.1攝氏度，為當月的最低溫度。【小i猜想：坍塌的部分位於整個候機樓的中部，正是溫度作用最大的位置。】
- 裂縫發展到一定程度，混凝土部分剝落，鋼撐杆對殼體衝切破壞。
- 失去撐杆作用後，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維持結構穩固，發生彎折破壞。
- 北側結構失效後，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。
- 在屋面坍塌的過程中，南側的支座處產生了較大的推力，導致支座從縱梁上脫落。
- 坍塌的結構砸壞了登機橋。
鋼撐杆與混凝土殼的連接節點
勒.墨休裡曾說過，"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，如果創新的設計超越傳統結構的限定時，應對基本的結構理論持懷疑態度。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等，都是由於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，但都可以歸咎於工程師缺乏對結構的敬畏和責任心。
在結構領域裡，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生。希望以上幾則事故案例能給工程師們警醒，保持嚴謹的態度、心懷敬畏地做結構設計。
附：美國工程師職責領受儀式誓詞
The Obligation of the Engineer
I am an Engineer.
In my profession I take deep pride. To it I owe solemn obligations.
Since the Stone Age,
Human Progress has been spurred by the EngineeringGenius. Engineers have made usable Nature's vast resources of Materialsand Energy for Humanity's Benefit.Engineers have vitalized and turned to practical usethe Principles of Science and the Means of Technology. Were it not for this heritage of accumulatedexperiences, my efforts would be feeble.
As an engineer, I, (full name), pledge to practiceIntegrity and Fair Dealing, Tolerance, and Respect, and to uphold devotion to the standards anddignity of my profession, conscious always that my skill carries with itthe obligation to serve humanity by making best use of the Earth'sprecious wealth.
As an engineer, I shall participate in none but honestenterprises. Whenneeded, my skill and knowledge shall be given without reservation for thepublic good. In the performance of duty, and in fidelity to myprofession, I shall give the utmost.
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