城市道路橫斷面設計及評價比選

馮 雨

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

某地外環路項目為城市主干道,目前為一幅路形式,擬定對其進行改造,將其改造成四幅路形式。

經現場巖土工程勘察,該外環路所在位置的地層結構為人工填土層、新近沉積層、一般第四紀沉積層(自上向下)。其中人工填土層以砂質粉土素填土為主,新近沉積層以砂質粉土、粉質黏土、黏質粉土為主,一般第四紀沉積層以粉質黏土及黏質粉土為主。地下水以潛水及層間水為主,潛水位埋深為9.70～14.50 m,水位標高為6.86～12.74 m。層間水,水位埋深為16.40～17.90 m,水位標高4.22～6.19 m,具有承壓性。

1 方案設計

根據現場地質條件,在遵循技術可行、投資合理、滿足建設進度要求等原則的基礎上,對道路橫斷面進行設計,使近遠期工程充分結合,最小化遠期改造工程量。

方案一:考慮到該道路遠期作為城市主干道,車流量、人流量均較大,為確保通行暢通度及安全性,道路兩側分別設計連續主、輔路系統,其中輔路系統可優化兩側地塊交通出行,既能實現該道路交通服務功能,也可降低對主路系統的干擾,使主路具備更好的通行能力[1]。橫斷面采用四幅路型式,具體布置(由南向北)為:3 m(人行道)+1.5 m(行道樹設施帶)+6.5 m(輔路)+2.5 m(分隔帶)+8 m(機動車道)+2 m(中央分隔帶)+8 m(機動車道)+2.5 m(分隔帶)+6.5 m(輔路)+1.5 m(行道樹設施帶)+3 m(人行道)=45 m。

方案二:考慮到當地居民日常短距離出行多采取非機動車方式,故方案二取消了兩側輔路系統,改為獨立的非機動車道,優化了非機動車出行條件,弱化了機動車出行條件,這樣可有效防止機動車、非機動車及行人之間可各行其道,以防干擾[2]。橫斷面采用四幅路型式,具體布置(由南向北)為:3 m(人行道)+1.5 m(行道樹設施帶)+3.5 m(非機動車道)+2.5 m(分隔帶)+8 m(機動車道)+3 m(中央分隔帶)+8m(機動車道)+2.5 m(分隔帶)+3.5 m(非機動車道)+1.5 m(行道樹設施帶)+3 m(人行道)+5 m(綠化帶)=45 m。

2 基于層次分析法對方案進行評價比選

為選出最佳橫斷面方案,采用層次分析法對上述兩個設計方案進行評價分析,確定評價指標權重值及相應指標的相對比隸屬度,根據評價結果確定最優橫斷面方案。

2.1 層次分析法

2.1.1 原理

層次分析法是一種通過定性與定量相結合來評價分析非定量事件的方法,尤其是在分析評價多目標、多層次等復雜問題中效果良好。使用層次分析法對問題進行評價分析時,對于那些無法測量的指標,只要合理引用標度,便能夠確定各指標的相對重要性,為決策提供科學依據。層次分析法評價模型建立的步驟如下:根據各評價指標構建出相對隸屬度矩陣,根據隸屬度矩陣構建出評價指標的權重判斷矩陣,進行對比分析。

2.1.2 相對隸屬度矩陣

相對隸屬度概念來自于模糊評價函數,通過模糊評價可對多因素影響的事件進行全面有效評價,且評價結果并不是完全的肯定或否定,而是通過一個模糊集來進行表達。相對隸屬度矩陣構建可通過模糊評價矩陣來表示,根據實際評價指標建立模糊評價指標體系,從中確定越大越優型指標[3],可通過公式(1)來表達:

rij=xij/(xmaxij+xminij)

(1)

確定越小越優性指標,表達式如下:

rij=(xmaxij+xminij-xij)/(xmaxij+xminij)

(2)

確定越中越優型指標,表達式如下:

(3)

式(1)、(2)、(3)中,rij為標準化處理后的評價指標值,xij為指標值,xmaxij為方案集中第i行的最大值,xminij為方案集中第i行的最小值。

通過上述3個公式可計算得出模糊評價矩陣,表達式如下:

(4)

式(4)中,R為模糊評價矩陣,r11、r1m、rn1、rnm為評價指標值。

2.1.3 評價指標權重矩陣

在模糊評價矩陣的基礎上可進一步確定各評價指標值的權重判斷矩陣。對于模糊評價而言,其是對指標優選的一個過程,如果某一個評價指標的樣本系列與區域統計值及模型預測值之間的差值變化程度比其他方案高,說明該評價指標所能傳遞的評價信息是優于其他方案的。由此可知,可利用評價指標與區域統計值及模型預測值之間的差值(即樣本標準差)來表達評價指標對評價結果的實際影響程度,可構建出權重判斷矩陣,具體表達式如下:

(5)

式(5)中,bij為權重判斷矩陣,s(i)為樣本i的標準差,s(j)為樣本j的標準差,smax為樣本系列的最大值,smin為樣本系列的最小值,bm為相對重要性程度參數值。

基于權重判斷矩陣,采用規范平均法對所有列向向量做歸一化處理,計算得出平均值,進而得出矩陣的權重向量近似解,并做一致性檢驗,根據權重值及相關評價指標相對隸屬度值計算出綜合評價指標值[4],具體公式如下:

z(j)=∑wir(i,j),j=1～m

(6)

式(6)中,z(j)為綜合評價指標值,該值越大說明第j各方案越優,wi為評價指標的權重值,r(i,j)為評價指標的相對隸屬度值。

2.2 方案評價及比選

橫斷面方案比選中,采用層次分析根據方案設計內容明確相關指標的相對隸屬度矩陣,在相對隸屬度矩陣的基礎上建立權重判斷矩陣,確定方案評價的權重值,對方案進行比選。經計算得出兩種方案的評價指標及相對隸屬度,如表1所示。

根據表1數據可知,序號2、10、12、14指標是越大越優型指標,序號11、15指標是越中越優型指標,序號13指標是越小越優型指標?？傻贸鰞煞N橫斷面方案的模糊評價矩陣,具體如下:

計算其樣本標準差s(i),結果如下:

S(i)=(0.006,0.072,0.015,0.577,0.083,0.297,0.255,0.020,0.218,0.083,0.167,0.132,0.315,0.134)

通過規范平均法對模糊評價矩陣的權重向量進行計算,對判斷矩陣的所有列向量做歸一化處理及平均,得出權重向量的近似解,以便做進一步的一致性檢驗。權重向量近似解結果如下:

W=(0.006,0.012,0.014,0.007,0.261,0.016,0.261,0.083,0.065,0.006,0.008,0.052,0.016,0.036)

計算最大特征根結果為:λm=19.786。

對一致性指標進行計算,結果如下:

一致性符合要求,即判斷矩陣是相容的,求得的權重向量可作為方案判斷的權重向量。

根據上述權重向量對兩種橫斷面設計方案進行評價,得出具體的評價值,如表2所示。

表2 兩種橫斷面設計方案評價結果Tab.2 Evaluation results of two cross-sectional design schemes

從表2可以得出,在道路規劃紅線寬度既定的情況下,兩個橫斷面設計方案中,權重占比較大的指標為分隔帶寬度,權重占比較小的指標包括車道數量、機動車道寬度及車道通行能力等。這是因為在確定好道路紅線寬度之后,機動車道數量、機動車道寬度及車道通行能力等在方案設計中差別不大,對道路通行能力影響較小,所占權重較小。城市道路項目設計中,單位造價對橫斷面設計方案決策的敏感度相對較低,故其權重較小。由此可知,城市道路橫斷面方案設計需要重點考慮行人、非機動車、機動車是不是有效分離、路權是不是非常明確及橫斷面布局時管線位置是否合理等因素。綜合評價值是通過橫斷面設計方案評價指標的權重值及相對隸屬度相乘并累加得出的,所以橫斷面設計方案的綜合評價值越高,則說明該方案的優越性、可行性越好。結合表2綜合評價值可知,方案一的綜合評價值為0.481,大于方案二的綜合評價值0.386,因此橫斷面設計方案最終確定采用方案一。

橫斷面設計是城市道路項目建設的前期工作,層次分析法在道路橫斷面方案設計比選中有著良好的適用性,可為決策提供科學依據。