06.21 114人死亡,216人受傷,美國凱悅飯店天橋坍塌事件真相震驚世界……

1981年7月17日,美國堪薩斯城凱悅酒店天橋坍塌事故共造成114人死亡、216人受傷,是為當時全美死亡人數最多的工程事故,直至被2001年911事件所超越。其影響之深,在27年後的7月27日,堪薩斯日報仍以‘for many, a memorial long over due”為標題悼念該事件中的受害者。而由堪薩斯城市星報主導的對事故原因的調查更獲得了美國新聞界最高榮譽獎項——普利策新聞獎。

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△堪薩斯城凱悅酒店坍塌事故現場

猶如蜜蜂選擇複雜的六角形結構建造蜂巢,鳥類會被顏色鮮豔的異性吸引,經濟發達的社會下,人們更喜歡挑戰更大、更高、更復雜的東西。與昆蟲相比,所有這些超出工程學範圍的考慮因素也許會使工程師的任務更令人興奮,但同時也一定沒有那麼多的經驗可供借鑑。

開業於1980年7月1日的堪薩斯城凱悅酒店由三部分組成:1個40層高的塔樓部分,一個功能區,還有一箇中庭。中庭是一個大型的開放空間,長44m,寬36m,高15m。3條懸空的人行天橋分別位於中庭的二,三,四層用於連接功能區和塔樓部分。這一精巧的佈局使得中庭享有開闊的空間,而人們又能夠自如地穿梭於酒店各區域之中。

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△中庭截面圖

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△中庭示意圖

二層人行天橋和四層天橋通過吊杆相連,三層走道在另一邊與之相望。當中庭聚集了大多數來客歡快地跳舞慶祝, 無緣參入其中的客人仍可以在人行天橋上駐足觀看,分享這熱鬧的氣氛。這正是1981年7月17日事故當天的場景。當地時間7點零5分,大約1600名民眾正聚集在一層中庭興高采烈地享受一場茶舞舞會,另有約20人在二樓,21人在三樓觀看。突然,連接四樓天橋的鋼質吊杆爆裂,整個四樓走道失去支撐,連同在上面觀看舞會的16人一齊墜落至二層走道,並與二樓走道一起跌到一樓中庭。整個墜落過程不過幾秒,卻導致百人罹難,以及更多的人被埋在重達60噸的碎玻璃,廢鐵和混凝土中。更嚴重的是,人行天橋的坍塌導致酒店水管的損毀,大量的水湧入一樓大廳,進一步威脅著倖存者。

搜救行動持續了14個小時,多支團隊參與救援行動,多種工具和醫療設備被想方設法運進酒店。Waeckerle教授作為搜救負責人在短時間內做出了決定:輕傷者送出酒店,部分重傷者在酒店內得到治療,受傷最嚴重者則只得到了止疼用的嗎啡--囿於人手緊迫藥物有限時間緊急,對他們的拯救被排在了最末。主要力量用於排除接下來會發生的坍塌和解圍被困的人們。最終,29人幸運地獲救。

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△二層和四層人行天橋坍塌

事故調查

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凱悅酒店集團作為世界頂級的跨國酒店集團,素以豪華、舒適及人性化服務馳名。這座位於堪薩斯城的酒店在發生事故時不過剛剛運營了一年,卻出現瞭如此嚴重的事故,公眾強烈要求對事故展開調查。包括美國國家標準局(National Bureau of Standards,是一家屬於美國商務部的非監管機構)在內的多個團隊對此次事故開展了調查。其中,身為職業建築師的Lischka先生接受了堪薩斯城星報的邀請,以記者的名義進入事故現場進行隱秘地勘察。

Lischka先生在事故現場看到連接四樓天橋的吊杆完好無損,因此四樓吊竿本身的失效可以暫時被排除。而仔細排查現場保留的其他吊竿,一個驚人的事實浮出水面。

美國工程設計公司G.C.E 公司,是凱悅酒店項目的設計團隊,他們負責完成鋼結構的設計和圖紙。G.C.E公司設計的人行天橋是這樣的,沿整個天橋長邊方向,兩組工字鋼(W16x26)分別支撐在天橋的混凝土走道底板下方; 沿天橋的短邊方向, 箱梁則橫向支撐在混凝土走到底版的下方,並用於固定吊杆。箱梁由兩根MC8x8.5的C型鋼焊接而成。

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△人行天橋結構示意圖

G.C.E的原設計中,第二層和第四層走道是被一根吊杆連接的,這根吊杆固定在房頂上。而現場找到的吊杆長度則遠小於連接兩層走道所需要的長度。Lischka先生於是重新審核了該項目的施工圖紙。他發現,在施工圖紙上,第四層天橋變成了由兩根吊杆共同連接。兩個螺母一上一下分別固定連接四層天橋的兩根吊杆,向下的吊杆連接著二層天橋,向上的吊杆仍連接著屋頂。

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△走道連接處的設計變更

原來,為了便於施工,吊杆的製造商和施工方,美國Havens Steel Company Professional Fabricator(以下簡稱 Havens公司)要求變更設計為用兩根吊杆分別連接四樓和二樓。這樣施工方可以免除把一根長吊杆穿過兩層走道的麻煩。於是設計被改變了。最終的施工圖紙也被改變了。

在G.C.E的原始設計,也就是一根吊杆貫穿二層和四層走道的設計中,假設每一層走道的自重和該走道上行人的重量之和為P,那麼四層螺栓處的受力為P,即四層螺栓處只承受該層的重量。同理,二層連接處螺栓也只承受二層走道德自重和行人重量P。而更改的設計中,新增了一根吊杆連接二層走道,也因此,這跟吊杆把二層走道及其行人的重量P傳遞到了四層走道上,四層走道的螺栓處承受的重量變成了四層走道及行人的重量P+二層走道及行人的重量P,也就是說變成了2P,是原設計中承受重量的兩倍。

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△受力示意圖

1979年2月16日,G.C.E收到了42張施工圖,包括變更之後的連接處的圖紙。1979年2月16日這些圖紙被蓋章確認並交給現場用於施工。

1980年7月1日酒店正式開業。1981年7月17日,天橋坍塌事故發生,四樓天橋最中間的箱梁因為其靠近東面的一端的連接處上的螺栓失效而迅速下滑坍塌,該處箱梁的損壞使得該處原本承擔的重量轉移到相鄰各處連接處,其他幾處連接處也紛紛失效,最終,失去了支撐的四樓天橋筆直地墜落,砸在正下方的二樓天橋上,巨大的衝擊力遠遠超過了二樓天橋能夠承擔的重量,二樓連接處也斷裂失效,整個四樓天橋,二樓天橋連同它們上面的人們一起墜落至一樓中庭。悲劇就是這麼發生的。

現場觀察到的箱梁的嚴重扭曲變形說明了這一切都是從四樓天橋的箱梁上的連接處開始。

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△箱梁失去支撐,下滑扭曲變形

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△箱梁連接處的失效是整個悲劇的開始

據美國國家標準局的估算,事故發生時,四樓天橋連接處承受的荷載為93kN, 而美國國家標準局對天橋進行復制並進行的實驗表明,該連接處最多隻能承受83kN的力,這一數值,不僅小於事故發生時實際施加在該連接處的荷載(93kN),也遠遠達不到美國堪薩斯城當地建築規範對該連接處的設計要求。根據美國堪薩斯城當地的建築規範,該連接處必須承擔302kN的荷載而不出現任何結構問題。即使是G.C.E的原始設計,這個數值也無法被滿足。這個設計缺陷,出現在了所有三條人行天橋上。誠如國家標準局的調查報告所說,人行天橋只能夠承受自身的重量和一點點其他荷載。

責任判定

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基於本次事故,由美國土木工程師協會ACSE出版的用於指導調查結構結果事故的工程師手冊中對連接處失效做出瞭如下定義:

「“由連接處失效導致的整體結構的坍塌發生在完全沒有或者僅有少量的額外承載強度的結構上。當出現多個強度很低的連接處時,其中一個連接處的失效會導致箱鄰的連接處紛紛失效,最終致使結構坍塌。”」

而連接處失效的主要原因包括:

• 對於施加的載荷計算失誤導致的不足夠(insufficient)的設計

• 由於結構截面發生突然變化導致的應力集中

• 對於旋轉和位移計算的錯誤

• 連接處材料的退化

• 沒有考慮到材料在生產過程中產生的大量殘餘應力

顯然, 凱悅酒店坍塌事故的事故原因包括第一點——對連接處的設計不足。但同時,G.C.E和連接處的供應商兼施工方Havens公司誰應該對連接處的設計變更負責,以及誰應該對整體設計負責,也是本次事故責任判定的關鍵點。

在調查和法庭聽證過程中,有兩個重要的事實被公之於眾:

1、吊杆的製造商和施工方Havens在法庭證詞中聲稱, 他們就吊杆的設計變更問題與設計公司G.C.E.通過電話並得到了了G.C.E的同意。而在長達26周的庭審中,G.C.E始終否認他們收到過類似電話。儘管改動的圖紙上被印上了G.C.E的印章。

2、1979年10月14號,在坍塌事故發生一年之前,仍在建設中的中庭屋頂發生過一次坍塌,坍塌面積超過250平方米。G.C.E表示,他們曾經要求在現場安排設計代表多達三次,但由於經費限制都沒有得到業主(皇冠中心重建公司)的同意。

最終,法庭判定G.C.E公司的人行天橋的設計不能滿足建築規範要求。這個結論基於已經暴露的天橋部分的設計及圖紙中的錯誤,誤差,疏忽。而對於G.C.E公司所宣稱的,是對設計含義的溝通失誤造成了變更設計的通過乃至最終被建造,法庭認為,G.C.E.公司既沒有在設計階段承擔應盡的責任,也沒有在中庭屋頂發生坍塌事故時進行應有的詳盡的調查。儘管供應商兼Havens公司沒有盡責審核和檢驗施工圖紙,也沒有向G.C.E公司特別標註出吊杆和箱梁的連接處的設計變化,G.C.E公司的工程師們應該對圖紙進行最終檢查。G.C.E公司並沒有發現連接處的變更,也沒有詳盡調查中庭屋頂坍塌的原因,顯然,他們錯誤地對havens信任過度。最終,G.C.E公司被判定對吊杆的設計變更負責。

1984年11月1日,GCE公司被判決為嚴重疏忽罪(gross neligence,比一般疏忽罪更嚴重一級,被定義對應有責任全部的疏忽),並被剝奪了設計資質。美國土木工程師協會(ASCE)也更改了相關規定為:結構工程師對設計項目負全部責任


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