城市軌道交通車站出入口布局規(guī)劃方法

鄒江源 葉霞飛

(1.廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，510030，廣州；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，201804，上海；3.上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點實驗室，201804，上海//第一作者，工程師)

城市軌道交通車站承擔著集散客流的任務(wù)，作為城市軌道交通系統(tǒng)與外部城市空間之間的紐帶，車站出入口與周邊步行設(shè)施構(gòu)成的慢行接駁系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計顯得尤為重要。目前，我國城市軌道交通車站出入口的研究成果主要集中在建筑結(jié)構(gòu)、防火防災(zāi)、景觀設(shè)計、微觀行人交通流特性以及接駁交通設(shè)施銜接等5個方面。針對車站出入口布局方法的研究尚處于探索階段，目前大多以依靠經(jīng)驗提出宏觀原則[1]，或結(jié)合現(xiàn)有工程案例總結(jié)設(shè)計經(jīng)驗[2]為主。文獻[3-4]研究了乘客對不同類型車站出入口的選擇偏好。本文提出以降低社會總成本為目標的城市軌道交通車站出入口規(guī)劃布局方法，旨在為城市軌道交通車站出入口規(guī)劃布局工作提供技術(shù)和理論支撐。

1 東京軌道交通車站出入口設(shè)置情況調(diào)查

以2015年東京14條城市軌道交通線路(含1條支線)全部運營車站，以及部分與城市軌道交通車站關(guān)聯(lián)的車站，如JR東日本運營的車站和私鐵線路車站，共計232座(其中城市軌道交通車站為218座)為研究對象，對其出入口數(shù)量、最長出入口通道長度及其與周邊建筑的銜接關(guān)系等進行了調(diào)查。

1.1 東京軌道交通車站的出入口數(shù)量分布

按照車站涉及的出入口數(shù)量對車站進行分組，對比東京被調(diào)查的218座城市軌道交通車站與上海軌道交通288座車站的出入口數(shù)量，結(jié)果如表1所示。由表1可知，上海各類車站出入口數(shù)量普遍少于東京同類車站，但出入口少于5個的車站比例卻遠高于東京的56.42%，為85.42%。

表1 上海、東京城市軌道交通車站不同出入口數(shù)量對應(yīng)的車站比例

1.2 東京軌道交通車站出入口分布范圍

東京218個城市軌道交通車站樣本中，187座車站建有出入口通道。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，34座擁有單個出入口通道且其長度超過100 m的車站，占有出入口通道車站數(shù)量的18.2%；6座擁有單個出入口通道且其長度超過200 m的車站，占有出入口通道車站數(shù)量的3.2%；全線網(wǎng)最長的出入口通道長度為461 m。

2 城市軌道交通車站出入口布局規(guī)劃模型

本文建立以降低社會總成本為目標的城市軌道交通規(guī)劃布局方案的搜索模型。

2.1 確定車站出入口布局的基準方案

本文以滿足進出站及防災(zāi)等最低要求的出入口設(shè)施作為基準方案，并以此為基礎(chǔ)向車站周邊搜索合理方案。

2.2 確定車站出入口的備選結(jié)點

在車站周邊一定范圍內(nèi)確定出入口的備選結(jié)點，以備選結(jié)點構(gòu)建車站出入口布局規(guī)劃搜索算法的搜索對象集合。根據(jù)對東京軌道交通車站的調(diào)查結(jié)果可知，出入口通道長度一般不超過500～600 m，因此可在車站主體建筑外廓外延500～600 m的范圍內(nèi)尋找出入口的備選位置。車站周邊出入口的備選開口位置如表 2所示。

將較臨近的幾個車站出入口備選位置合并為一個備選結(jié)點，形成搜索方法的待搜索結(jié)點集合。以備選路徑和備選結(jié)點構(gòu)建出入口布局網(wǎng)絡(luò)，并以備選結(jié)點作為出入口規(guī)劃方案搜索算法的搜索對象。

表2 城市軌道交通車站出入口規(guī)劃備選位置

2.3 確定備選結(jié)點到車站可修建通道的有效路徑

備選結(jié)點和車站間可修建通道的有效路徑應(yīng)滿足以下約束條件。

2.3.1 路徑長度

車站出入口通道不會無限制向周邊延伸。基于對東京軌道交通車站的調(diào)查結(jié)果，建議城市核心區(qū)、城市副中心、城市其他建成區(qū)的出入口通道長度閾值分別取450 m、350 m、200 m。

2.3.2 路徑非直線系數(shù)

車站出入口通道的有效路徑應(yīng)順直且延伸方向合理，通過限制路徑的非直線系數(shù)以排除無效路徑。在方格網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，兩點間合理路徑非直線系數(shù)一般不超過1.5。

2.3.3 路徑分叉次數(shù)

在地道與天橋形成的步行網(wǎng)絡(luò)中，若路徑分叉次數(shù)過多，會在乘客使用、運營管理上帶來困難。因此，在出入口搜索網(wǎng)絡(luò)上的路徑分叉次數(shù)不宜過多。

2.3.4 車站出入口布局合理方案的搜索算法

采用C# 語言，以確定的出入口備選結(jié)點建立車站出入口布局方案的待搜索結(jié)點集合，結(jié)合待搜索結(jié)點與車站間的有效路徑集合，判定備選結(jié)點是否應(yīng)設(shè)置出入口。出入口與車站間修建通道的路徑的具體搜索流程如下：

1)步驟1：確定搜索基準方案，以車站無向外延伸出入口，僅在車站主體臨近位置建設(shè)出入口的方案為搜索的基準方案，計算基準方案的社會總成本，記為CA,0。

2)步驟2：假設(shè)車站研究范圍內(nèi)有n個已知結(jié)點，按照結(jié)點和車站間最短路徑距離由長到短對n個結(jié)點進行排序，記為J1,J2,J3,…,Jn。此時備選集合記為Q，Q=(J1,J2,J3,…,Jn)。合理方案由結(jié)點集合P和路徑集合W兩個集合組成，此時集合P和W為空。

3)步驟3：從J1開始進行搜索，每次搜索選取備選集合Q中的到達車站最短路徑中距離最大的結(jié)點作為當次搜索的結(jié)點。假設(shè)第i次搜索的結(jié)點為Ji，Ji與車站間滿足約束條件的有效路徑有k條，分別記為SJi,1,SJi,2,…，SJi,k，分別計算SJi,1,SJi,2,…，SJi,k修建出入口和通道時對應(yīng)的社會總成本。

4)步驟4：選取社會總成本計算值最小的路徑，假設(shè)SJi,min為結(jié)點Ji的備選路徑，SJi,min途徑的結(jié)點離車站的距離由遠到近依次為Ji,Ji，1,Ji，2，…,Ji，n，假設(shè)第i-1次搜索后合理方案結(jié)點集合為Pi-1，則(Ji,Ji，1,Ji，2，…,Ji，n)∪Pi-1為當次搜索的待搜索集合。假設(shè)i-1次搜索后確定合理方案Pi-1對應(yīng)的社會成本為CA,i-1，在此方案的基礎(chǔ)上增加結(jié)點Ji和車站間路徑SJi,min修建通道后的新方案(Ji,Ji,1,Ji,2,…,Ji,n)∪Pi-1的社會成本為CA,i。若CA,i>CA,i-1，則將結(jié)點Ji從備選集合Q中刪除，重置Pi=Pi-1，CA,i=CA,i-1，從步驟3開始進行下一次搜索；若CA,i≤CA,i-1，執(zhí)行步驟5。

5)步驟5:通過結(jié)點集合X對路徑SJi,min上的結(jié)點進行判定，初始X為空。假設(shè)路徑SJi,min途經(jīng)的結(jié)點距車站由遠到近依次為Ji,Ji，1,Ji,2,…,Ji,n，則按照Ji到Ji,n的順序?qū)β窂絊Ji,min上的結(jié)點依次進行判定。假設(shè)被判定結(jié)點為Jβ，將路徑SJi,min中距Jβ距離車站更近的結(jié)點進行組合，建立近端比較集合Y。計算方案X∪{Jβ}∪Y∪Pi-1和X∪Y∪Pi-1的社會成本分別為CA(X∪{Jβ}∪Y∪Pi-1)和CA(X∪Y∪Pi-1)。若CA(X∪{Jβ}∪Y∪Pi-1)≤CA(X∪Y∪Pi-1)，則通過結(jié)點集合X修改路徑判定，令X=X∪{Jβ}，修改后開始判定路徑SJi,min中Jβ的后一個結(jié)點；若CA{X∪{Jβ}∪Y∪Pi-1)>CA(X∪Y∪Pi-1)，則X保持不變，繼續(xù)判定路徑SJi,min中Jβ的后一個結(jié)點,直到路徑SJi,min上的所有結(jié)點判定完成，最終通過結(jié)點集合X得到最終的路徑判定。

6)步驟6:取X∪Pi-1為第i次搜索后新的合理方案結(jié)點集合Pi，取Pi的社會總成本為CA,i，取Q-(Ji,Ji,1,Ji,2,…,Ji,n)為第i次搜索結(jié)束后新的備選集合A。

7)步驟7:若步驟6結(jié)束后，備選集合Q不為空，則從Q中選擇距離車站路徑最長的結(jié)點，并以此開始，重復步驟3及其后續(xù)步驟；若Q為空，則搜索結(jié)束。假設(shè)第i-1次搜索已完成，經(jīng)i-1次搜索后確定可建設(shè)方案對應(yīng)的社會成本為CA,i-1，此時進行第i次搜索，被搜索方案對應(yīng)的社會成本為CA,i，第i次搜索的方案必須滿足CA,i≤CA,i-1才能作為可建設(shè)方案。

受車站出入口設(shè)施影響的社會成本包括建設(shè)成本、運營成本、交通成本和其他成本，各成本指標項的量化方法可參考文獻[5]。

3 算例驗證

3.1 對象車站的基本情況

以上海某兩線軌道交通換乘站為計算對象，其中車站主體為一座高架車站、一座地下車站，兩者通過換乘通道連接。地下車站于2009年年底開通運營，高架車站于2000年年底開通運營。該算例以對象車站的現(xiàn)狀方案為基準，尋找以地下車站為主體，搜索向車站西北方向延伸出入口的合理方案。對象車站西北方向可能受步行接駁影響交通小區(qū)分布，如圖1所示。對象車站運營期各交通小區(qū)的步行接駁人數(shù)，如表3表示。

圖1 對象車站出入口布置現(xiàn)狀及西北方向可能受步行接駁影響的交通小區(qū)分布情況

3.2 計算參數(shù)與假設(shè)

假設(shè)地下車站出入口設(shè)施的建設(shè)年為2009年，2010年為地下車站運營期第一年，取30年運營期為計算期，社會折現(xiàn)率取6%。

假設(shè)地下車站出入口地下通道不穿越既有建筑物，采用明挖法施工，圍護結(jié)構(gòu)采用SMW(勁性水泥土攪拌樁)。地下通道覆土厚度為3 m，內(nèi)部凈高為4 m，頂板、底板和側(cè)墻厚度均為600 mm。人行地道寬度的設(shè)計能力取值為1 380人/(m·h)，通道設(shè)計寬度計算值不足3.75 m的取3.75 m。車站土建設(shè)施年維修費率取0.01，其他設(shè)備維修費率取0.02，單位面積能耗強度為108 kWh/(m2·a)。

表3 對象車站運營期各交通小區(qū)的步行接駁人數(shù)

根據(jù)2010年上海市居民收入水平，取2010年高峰小時乘坐軌道交通出行者的時間價值為21.3元/(人次·h)，非高峰時段為4.8元/(人次·h)，乘坐小汽車的出行者的高峰小時時間價值為37元/(人次·h)，單位時間價值年增速取6%。機動車車均載客人數(shù)取2人/車；車輛百公里油耗取8 L，汽油價格為5.88元/L。假設(shè)每日車站進出站早晚高峰各為2 h，非高峰時段為12 h，周邊道路交通每日高峰時長為5 h。車站周邊各小區(qū)的進出站接駁量不隨出入口方案發(fā)生改變。因本算例出入口只考慮向車站西北方向的延伸方案，因此可只計算此區(qū)域內(nèi)步行進出站乘客的接駁時間成本。算例不改動原有的平面過街基礎(chǔ)設(shè)施和管理方式。因缺乏針對微觀交通環(huán)境交通安全成本的準確預(yù)測方法，故算例中不計算交通安全成本這一指標項。

3.3 確定備選結(jié)點

對象車站周邊以住宅小區(qū)為主，在車站西北方向500 m范圍內(nèi)選取了出入口備選位置，將備選位置合并為備選結(jié)點,分別記為1號—5號結(jié)點，并以0號結(jié)點代表地下車站的位置，如圖2所示。

3.4 接駁數(shù)據(jù)錄入及結(jié)果輸出

根據(jù)車站附近既有步行設(shè)施和待搜索的出入口結(jié)點位置，計算各交通小區(qū)進出站的可能接駁路徑的各項屬性，如接駁時間、接駁人數(shù)等，將其錄入計算程序，然后運行程序，最后輸出推薦方案。經(jīng)計算，需新增6個出入口，如圖3所示。

圖2 備選結(jié)點位置

圖3 對象車站出入口布局的推薦方案總圖

現(xiàn)狀方案和推薦方案的成本凈現(xiàn)值結(jié)果數(shù)據(jù)如表4所示。由表4可知，推薦方案相比基準方案，節(jié)省了3 081.71萬元的交通成本，推薦方案在計算期內(nèi)的社會成本凈現(xiàn)值為34 720.29萬元，低于車站基準方案的社會成本凈現(xiàn)值35 410.9萬元，由此可知推薦方案達到了社會成本降低的目標。

表4 現(xiàn)狀方案和推薦方案的成本凈現(xiàn)值總和對比表 萬元

4 結(jié)論

本文圍繞城市軌道交通車站出入口布局規(guī)劃方法開展了研究，主要成果包括以下方面：

1)通過對比東京與上海城市軌道交通車站出入口數(shù)量發(fā)現(xiàn)，上海軌道交通各類車站出入口數(shù)量顯著少于東京同類車站，上海軌道交通車站出入口少于5個的車站比例為85.42%，遠高于東京同類車站比例(56.42%)。

2)東京被調(diào)查的城市軌道交通車站中，34個車站擁有長度超過100 m的單個出入口通道，占建有出入口通道車站總數(shù)的18.2%，通道長度上限為461 m。

3)以降低社會總成本為目標，構(gòu)建了基于一定約束條件的城市軌道交通車站出入口規(guī)劃布局合理方案的搜索模型，并轉(zhuǎn)化為計算機程序，通過算例說明了本模型的可行性。