偷梁换柱 · 迈阿密Champlain公寓楼倒塌事件

6月24日凌晨，整个Surfside镇都在沉睡中。

阿尔弗雷多·洛佩兹和他的妻子玛丽安正在睡觉，一声巨响把他们惊醒了。片刻之后，第二声更大的巨响，震动了他们在迈阿密公寓六楼的床。

阿尔弗雷多跑去叫醒他24岁的儿子迈克尔，催促他穿好衣服，然后跑出了阳台。

“我只能看到白色的灰尘，非常厚。我几乎看不到阳台的栏杆。”

没有时间思索，他随即转身准备逃离。当他打开前门时，大楼的一半已经不见了。门前残留的地板几乎无法立足。

在不到15秒内，Champlain South公寓楼的东侧全部塌下至地面。整个过程刚好被附近的摄像头完整地记录了下来。

被拍下的倒塌过程

小镇的宁静无情地被打破。倒塌共导致98人遇难，与Knickerbocker剧院倒塌并列为美国历史上第三大建筑结构事故。

事故发生后，媒体多日来连篇累牍地报导事故，人们都迫切地想知道实时救援情况。同时，各种关于事故原因的猜测——不论是合理的还是荒谬的——都纷至沓来。

人在面临悲伤时，难以消解的情绪需要找到一个出口。就像是溺水，总想抓住些什么。对于埋在废墟里生死未卜的亲人，是被拯救的希望；一旦生死尘埃落定，则会转向想要一个解答或回应。

与无常相比，人们更愿意相信凡事皆有因果——尤其是听到灾难本可以避免。

美国NIST的专家至今仍在事故现场调查取证，事故原因的查明可能会经年数月。但对于经受情感创伤的人们，他们急需一个解答。

NIST在现场取证

Champlain South公寓是一座12层高的住宅楼，占地约2250平方米，位于迈阿密Surfside镇的8777 Collins Avenue，南面不远处就是著名的迈阿密海滩。公寓楼建成于1981年，距今逾40年，与它一个街区之隔则是另一座形态相近，同期开发的Champlain North公寓楼。

Champlain South的位置

Champlain South公寓（倒塌前）

Champlain South属于上世纪80年代当地典型的钢筋混凝土结构，大致可分为上部楼层、首层楼板和地下车库三大部分。

公寓平面图

上部楼层为传统的框架结构，通过框架梁柱将各楼层支撑起来。黄色楼层是事故中倒塌的部分。

上部楼层

首层楼板是一块厚度约9英寸（23cm）的钢筋混凝土板，它构成了公寓的室外地面，将上部楼层与地下车库两个空间分隔开来。车辆和行人日常都通过它进出大楼。

首层楼板（黄色部分）

首层楼板下面则是净高约3m的地下车库，通过框架柱将首层楼板撑起，形成地下空间。

地下车库（黄色虚线部分）

地下车库的结构体系取决于不同部位，有两种主要形式。一种是传统的有梁楼盖体系，首层楼板的重量通过框架梁传递至结构柱。

地下车库的有梁楼盖部分

另一种是在欧美发达国家使用非常普遍的无梁楼盖体系（Slab-Column System）。与前者不同，这种体系没有任何框架梁，楼板重量直接传递给结构柱。

地下车库的无梁楼盖部分

想从废墟中找到答案是极为困难的。网上的大部分观点，均猜测是公寓某些结构的弱化导致了倒塌。虽然这个原因确实很常见，但却难以证实——所有的结构都在倒塌中破坏了。至少现在已经无法分辨哪些构件看起来比较“弱”。

为了分析出公寓倒塌最接近真相的诱因，我们不妨换个思路：

与其关注已经倒塌的废墟，不如将注意力集中在那些未被破坏的部分。

它们可能在另一个角度，沉默地诉说着关键的证据。

首先，Champlain South公寓并不是整栋都发生了坍塌。它的西侧部分在东侧及北侧楼层连续倒塌后，仍然看起来并无大碍。西侧楼层与坍塌部分以电梯井的结构墙为明显分界线。

西侧部分与坍塌部分以电梯井结构墙为明显分隔

问题1：为什么唯独公寓西侧没有倒塌？

其次，从事故现场的鸟瞰图来看，公寓楼不止是上部楼层发生了坍塌。如果仔细观察，公寓楼左侧的首层楼板也出现了部分坍塌。

首层楼板也出现了坍塌

在首层楼板倒塌的区域，可以发现这里的结构柱并没有一起倒塌，而是以刺穿楼板的方式继续站立在它们最初的位置。

结构柱刺穿楼板

与旁边已塌成煎饼状的上部楼层相比，这些柱子显得格外突兀。

对于一名经验老到的结构工程师，凭敏锐的直觉，他可以马上得知：这种破坏形式与无梁楼盖体系中的冲切破坏（Punching Shear Failure）模式非常类似。

由于缺乏框架梁对柱子的横向支撑和约束，无梁楼盖体系较常发生的是冲切破坏。发生破坏时，柱子会刺穿楼板。受到剪力的作用，有时会在顶部留下一个约45°的梯形体。

无梁楼盖发生冲切破坏

在公寓的一些柱子上，同样也找到了类似的痕迹。

无梁楼盖体系的冲切破坏绝不是新鲜事，它在公寓设计阶段就应该要被考虑。通常，为了避免冲切破坏的发生，在柱子与楼板的连接点一定范围需要进行加固，较常见的是设置特定形式的加密钢筋。在设置了加密钢筋之后，即使柱子不堪重负破坏，也不至于发生整根柱子刺穿楼板的现象。

设置加密钢筋与否的破坏形式区别

问题2：Champlain South公寓在设计之初是否充分考虑了冲切破坏？

带着这两个问题，我们继续研究Champlain South 40年前的结构设计图纸。

Champlain South公寓的设计方先后共出版了两份图纸。第一份出版于1979年8月22日，图纸右下方有设计师的签名（可以称它为“79版图纸”）；第二份出版于1980年1月17日，它是第一份图纸的变更，除了设计师签名外，右下方还有变更标记，简要地描述了变更日期和变更内容（“80版图纸”）。

79版图纸（左）与80版图纸（右）

在79版图纸中，我们先在平面图中把公寓西侧（未倒塌）与公寓东侧（已倒塌）区域分别用不同颜色标记出来，对比两者之间设计上的差异。

公寓西侧与东侧部分

如果仔细核对，两者之间主要的差异在于柱子的尺寸。公寓西侧是车行道出入口，考虑到频繁的车辆出入，因此地下一层采用了边长为24英寸（约60cm）的柱子。而公寓东侧的普通住宅楼层，仅采用了边长16英寸（约40cm）的柱子支撑。

公寓的柱子尺寸分布

40cm的柱子对于12层的住宅楼显得有些单薄。在2018年，Champlain South公寓进行了一次大楼结构检测。结果显示，地下车库的某些结构柱老化严重，出现了不同程度的裂缝。

检测报告显示结构柱出现裂缝

如果说40cm的柱子已是安全隐患，那首层楼板坍塌区域的事故发生似乎更是早晚的事。由于上部没有楼层，这个区域采用了尺寸更小的柱子支撑楼板，边长仅为12”x16”（约30cm x 40cm）。

首层楼板坍塌区域采用了尺寸更小的柱子

在79版图纸中，这些柱子设置了梁与公寓主楼部分的结构柱进行连接。因为室外与室内的楼板高度差了1英尺（30cm），需要通过梁进行标高转换。

Drop Beam的设置

最关键的地方到了。在80版变更图纸中，这些与主楼连接的梁都不见了。原因是室外的标高提升了1英尺，变成与室内一致。两边楼板的高度差消除了，可能建筑师据此认为再设置转换梁已失去意义。

这些梁都被取消了。

80版图纸取消了连接梁

即使取消了有利于结构柱稳定的梁，即使室外楼板提高了30公分，这些柱子的尺寸、配筋却依旧维持了79版图纸的设计，没有任何增强。

结构柱尺寸及配筋没有任何变化

同样没变的还有柱与楼板相交的节点。无论是哪一版的图纸，抗冲切钢筋的配置似乎都显得不足。当发生冲切破坏时，上部截断的钢筋很容易就被拔出。

节点处配筋显得不足

节点处的破坏

无论设计是出于什么考虑，负责公寓设计的建筑师及工程师均已逝世，现在再也无法知道最初设计的意图。

不过可以知道的是，综合各方目击者的证言，公寓最先出现坍塌的位置，就在这些取消了梁的位置。

公寓的倒塌时序

按照目击者证词，上部楼层是在首层楼板破坏后再相继倒塌的。结合事故发生时序，现场照片以及图纸中的发现，Champlain South公寓的倒塌原因可能是：

Champlain South公寓的倒塌对我们是一个警示。

大量上世纪70-80年代修建的住宅楼，时至今日已接近走完它们的设计寿命。当时人们对建筑结构的认识尚达不到今天的深度，有些部位的安全储备真不一定能满足现时规范的要求（也许按照当时的规范是满足的）。

那么，随着时间的流逝，这些住宅楼，有多少还能继续抵挡老化的影响？