鄧稱意

（深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大中型城市的機(jī)動(dòng)車(chē)擁有量也在不斷提高，平面交叉口成為城市道路中的瓶頸。立體交叉利用跨線構(gòu)造物使道路與道路在不同的空間相互交叉，可以有效地解決道路交叉口的交通沖突，以實(shí)現(xiàn)道路之間空間交叉和行車(chē)方向的快捷轉(zhuǎn)換[1]。

城市道路路網(wǎng)密集，交通轉(zhuǎn)換需求大，受用地條件影響，城市立交的使用更為頻繁和復(fù)雜。特別對(duì)城市道路規(guī)劃落后于城市發(fā)展的地區(qū)或者片區(qū)而言，受先天規(guī)劃不足的影響，立交方案的選擇既要符合現(xiàn)狀，且能滿足近遠(yuǎn)期道路交通功能及城市發(fā)展需求，因此對(duì)立交的綜合設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)提出了更高的要求。

因城市立交方案影響因素復(fù)雜，指標(biāo)繁多，對(duì)于每座立交，由于地理位置，使用功能，社會(huì)條件、環(huán)境條件、自然條件的差異，影響因素及其影響程度也不盡相同，具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)也不一樣。目前國(guó)內(nèi)城市立交方案設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)沿用公路立交的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較法，該方法簡(jiǎn)便直觀，操作性強(qiáng)，但未進(jìn)行指標(biāo)的綜合量化，帶有很大的經(jīng)驗(yàn)性和局限性。因此，本文通過(guò)充分分析城市立交設(shè)計(jì)特點(diǎn)及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用定量與定性相結(jié)合，探討基于模糊理論的立交綜合評(píng)價(jià)方法。

1 城市立交分類(lèi)及設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1 城市立交分類(lèi)

城市立交的種類(lèi)繁多，類(lèi)型多樣，各類(lèi)互通式立交均有各自的特點(diǎn)和適用條件，根據(jù)不同的分類(lèi)方式可將其劃分為不同類(lèi)型[2-3]：

（1）按相交道路數(shù)可分為兩路立交、三路立交、四路立交和多路立交；

（2）按相交道路是否互通可分為分離式立交，完全互通立交或部分互通立交；

（3）按立交主線及匝道的空間層次可分為兩層式立交、三層式立交或四層式立交等；

（4）按立交匝道的形式可分為定向式立交、半定向式立交及非定向式立交；

（5）按相交道路的等級(jí)可分為樞紐立交或一般立交；

（6）按立交類(lèi)型可分為組合式立交或非組合式立交；

（7）按立交的外形可分為喇叭形、苜蓿葉型、葉型、梨型、環(huán)形、蝶形及菱形等；

（8）按匝道的布設(shè)位置可分為一象限式、兩象限式（對(duì)角線式和相鄰象限式）、三象限式、四象限式；

（9）按立交匝道交通功能可分為迂回式和直達(dá)式等。

1.2 城市立交設(shè)計(jì)特點(diǎn)

城市立交因規(guī)劃控制、路網(wǎng)密度、用地條件、經(jīng)濟(jì)水平、環(huán)境影響等因素影響，與公路立交相比，具有明顯的城市特征。

1.2.1 立交規(guī)劃特點(diǎn)

城市立交規(guī)劃布局可分為兩種：（1）城市總體規(guī)劃完善，路網(wǎng)規(guī)劃科學(xué)合理，立交布局符合城市交通遠(yuǎn)期發(fā)展。該類(lèi)立交設(shè)計(jì)往往控制因素較少，立交設(shè)計(jì)預(yù)留條件較好。（2）城市總體及交通規(guī)劃落后，屬被動(dòng)型立交設(shè)計(jì)，往往為了解決現(xiàn)狀及近期交通壓力增設(shè)立交，控制因素多，立交設(shè)計(jì)難度大。

1.2.2 交通功能特點(diǎn)

城市立交除需考慮車(chē)行交通功能外，同時(shí)需充分考慮慢行的交通需求。特別是當(dāng)前對(duì)慢行交通需求及舒適性要求越來(lái)越高，立交設(shè)計(jì)前期構(gòu)思需同時(shí)考慮車(chē)行及慢行的總體布局。

1.2.3 立交組合特點(diǎn)

除城市內(nèi)高速公路外，城市立交大多無(wú)收費(fèi)站，且因車(chē)速相對(duì)高速較低，對(duì)主線和匝道的平縱線型較為寬松，可供選擇的立交形式和組合方式多，往往立交設(shè)計(jì)更復(fù)雜多樣，賦予設(shè)計(jì)者更多的發(fā)揮空間。

1.2.4 環(huán)境特點(diǎn)

城市立交一般環(huán)境條件比較復(fù)雜，除現(xiàn)狀地形條件外，往往受征地拆遷、現(xiàn)狀管線、現(xiàn)狀軌道等因素影響。因此設(shè)計(jì)時(shí)，需充分調(diào)研現(xiàn)有地面、地下建構(gòu)筑物情況，通過(guò)多方案比選，合理確定主線及匝道的平面及豎向關(guān)系，推選最佳方案。

1.2.5 城市景觀特點(diǎn)

城市立交多處于交通轉(zhuǎn)換集中點(diǎn)，大量車(chē)流及人流需通過(guò)立交進(jìn)行交通轉(zhuǎn)換，良好的立交設(shè)計(jì)會(huì)給駕駛?cè)?、行人心情愉悅，因此?duì)立交的景觀提出了更高的要求。在立交設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮利用好現(xiàn)狀條件，在解決交通功能的同時(shí)，讓城市立交成為城市的景觀窗口。

2 城市立交方案設(shè)計(jì)的指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)模型

立交方案設(shè)計(jì)是指在立交設(shè)計(jì)前進(jìn)行的立交總體安排布局工作，旨在進(jìn)行立交類(lèi)型選擇及比較，確定合理、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀的立交方案。立交方案比選一般分為四步：（1）經(jīng)過(guò)初步分析，篩選，提出明顯不可行方案，確定2～5個(gè)可比選方案；（2）建立方案比價(jià)指標(biāo)體系；（3）指標(biāo)評(píng)價(jià)；（4）方案比選結(jié)論及推薦。

2.1 城市立交綜合評(píng)價(jià)體系的建立

目前立交評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系多數(shù)是按層次來(lái)劃分。指標(biāo)分層是將各指標(biāo)性質(zhì)，影響特性和影響效果進(jìn)行歸類(lèi)，并按隸屬關(guān)系進(jìn)行分層。第一層為目標(biāo)層，表征方案的最終評(píng)價(jià)結(jié)果，用于不同方案間的比選；第二層為準(zhǔn)則層，是綜合評(píng)價(jià)的中間層，表征方案在某一方面特征的大類(lèi)指標(biāo)，如方案的運(yùn)行情況，實(shí)用情況、費(fèi)用情況等是同一類(lèi)分項(xiàng)指標(biāo)的集合，這是方案比較的基本層次；第三層為指標(biāo)層，是描述方案細(xì)部特征的指標(biāo)，如用地面積，回收期，景觀協(xié)調(diào)等，這是方案的基礎(chǔ)層；第四層為子指標(biāo)層，根據(jù)需要設(shè)計(jì)各子指標(biāo)[4]。

影響立交方案的各方面因素復(fù)雜，指標(biāo)繁多。對(duì)于每個(gè)立交所處地理位置，使用功能、社會(huì)條件、環(huán)境條件、自然條件的差異，影響因素及其影響的程度也不相同，具體的指標(biāo)也不盡相同。現(xiàn)根據(jù)城市立交特點(diǎn)，初擬了城市立交指標(biāo)（包含但不限于）體系如表1所列。

表1 城市立交指標(biāo)一覽表

2.2 基于模糊理論的立交方案綜合評(píng)價(jià)模型

模糊數(shù)學(xué)理論最早是在1965年由美國(guó)的計(jì)算機(jī)與控制論專(zhuān)家扎德提出，它是一種研究模糊性或不確定性問(wèn)題的理論方法。模糊數(shù)學(xué)的核心思想就是通過(guò)用數(shù)學(xué)的手段來(lái)仿效人腦的思維，建立對(duì)復(fù)雜事物進(jìn)行模糊度量、模糊識(shí)別、模糊推理、模糊控制和模糊決策的本領(lǐng)[5，6]。

2.2.1 立交方案模糊評(píng)價(jià)模型

通過(guò)擬定m個(gè)立交方案組成方案集V=｛v1，v2，…，vm｝，其中vj為第j個(gè)立交方案。評(píng)價(jià)立交方案的評(píng)價(jià)因素或指標(biāo)共有n個(gè)，其中定量因素為n1個(gè)，定性因素n2個(gè)（n1+n2=n），計(jì)定量因素集為U1、定性因素集為U2，由所有影響因素組成的因素集為U=U1∪U2=（u1，u2，…un，un+1，…，un），其中ui為第i個(gè)影響因素（或評(píng)判因素，簡(jiǎn)稱因素）。進(jìn)行立交方案單因素評(píng)判時(shí)，第i影響因素的單因素評(píng)判集Ri=｛ri1，ri2，…，rm｝，綜合立交方案全體單因素評(píng)判結(jié)果，即可得到立交方案優(yōu)劣的單因素評(píng)判矩陣，如式（1）所示：

其中，rij為第i個(gè)因素ui對(duì)j立交方案vj的隸屬度。

進(jìn)行立交方案影響因素權(quán)重賦值時(shí)，應(yīng)充分考慮各因素對(duì)立交方案的重要性程度，同時(shí)結(jié)合考慮立交方案交通功能、技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境指標(biāo)、管理指標(biāo)等因素，對(duì)各因素賦予不同的權(quán)重，得到立交方案評(píng)價(jià)各影響因素的權(quán)重集A=｛a1，a2，…，ai…，an｝，其中ai為第i因素ui的權(quán)重，ai≥0，綜合以上分析，得到模糊綜合評(píng)判結(jié)果即得評(píng)判集如式（2）所示：

式中，bi為綜合考慮所有因素的影響時(shí)，評(píng)判對(duì)象對(duì)第j個(gè)方案類(lèi)型vj的隸屬度，即評(píng)判指標(biāo)rij，通過(guò)比較評(píng)判指標(biāo)bi值的大小，對(duì)不同立交方案的優(yōu)劣進(jìn)行排序，bi值越大，表示第j個(gè)立交方案綜合性能越好。

2.2.2 模糊關(guān)系的量化

在進(jìn)行立交方案綜合性能評(píng)價(jià)之前，必須對(duì)立交方案的因素值進(jìn)行量化，確定單因素模糊評(píng)判矩陣R，即確定隸屬度。根據(jù)影響因素的性質(zhì)，從定量因素和定性因素兩個(gè)方面來(lái)分析。

（1）定量因素的隸屬度?？紤]定量因素的各指標(biāo)值之間的量綱不同，且指標(biāo)值變化范圍差異也較大，現(xiàn)按照最優(yōu)值相對(duì)隸屬度為1的原則，定義隸屬度。

對(duì)于值越大越優(yōu)型因素（所謂越大越型因素是指因素指標(biāo)值以最大值為最優(yōu)，反之則為越小越優(yōu)型因素）的隸屬度按式（3）、式（4）進(jìn)行計(jì)算：

對(duì)于越小越優(yōu)型因素，其隸屬度為：

式中，rij為第j個(gè)立交方案中項(xiàng)因素的指標(biāo)值；max｛yij｝與 min｛yij｝分別為各類(lèi)方案中i項(xiàng)因素指標(biāo)的最大值和最小值。

（2）定性因素的隸屬度。定性因素以模糊語(yǔ)言來(lái)表示，例如優(yōu)、良、中、差等，并以此來(lái)表示不同立交方案相對(duì)比較而言的性能。以有利于立交為優(yōu)，最不利者為劣，一般可以分為5級(jí)，即優(yōu)、良、中、次、差，相對(duì)應(yīng)的隸屬度分為 1、0.75、0.5、0.25、0。對(duì)于處于等級(jí)中間過(guò)渡的狀態(tài)者可以用線性內(nèi)插的辦法，確定其相應(yīng)的隸屬度。若參加定性因素評(píng)級(jí)的專(zhuān)業(yè)人員對(duì)評(píng)級(jí)意見(jiàn)不一致，可以按百分比計(jì)入。

3 基于模糊理論的某城市互通立交設(shè)計(jì)及綜合評(píng)價(jià)案例分析

3.1 立交節(jié)點(diǎn)分析及方案設(shè)計(jì)

3.1.1 立交節(jié)點(diǎn)概況及交通量預(yù)測(cè)

該立交節(jié)點(diǎn)位于廣東省深圳市，相交道路等級(jí)均為城市Ⅰ級(jí)主干路，雙向6車(chē)道，設(shè)計(jì)車(chē)速50 km/h，匝道設(shè)計(jì)車(chē)速30 km/h。根據(jù)城市道路交叉口設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合節(jié)點(diǎn)交通量預(yù)測(cè)，該立交節(jié)點(diǎn)為全互通立交，具體交通量預(yù)測(cè)如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)期交通量預(yù)測(cè)結(jié)果示意圖

3.1.2 立交節(jié)點(diǎn)控制因素

該節(jié)點(diǎn)位于建成區(qū)，節(jié)點(diǎn)涉及現(xiàn)狀拆遷較大，南側(cè)為山體，東北側(cè)臨時(shí)停車(chē)場(chǎng)，西北側(cè)為城市更新規(guī)劃用地；南側(cè)現(xiàn)狀高鐵距離立交節(jié)點(diǎn)中心約400m，且現(xiàn)狀跨鐵橋已建。因此該立交方案設(shè)計(jì)主要考慮現(xiàn)狀高鐵跨線橋、對(duì)山體破壞、房屋拆遷及道路城市用地的影響。

3.1.3 節(jié)點(diǎn)方案設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目方案根據(jù)規(guī)劃用地，結(jié)合道路現(xiàn)狀條件，在滿足遠(yuǎn)期交通功能情況下擬定了三個(gè)可行性方案（考慮東北側(cè)地塊整體性，方案均考慮用地預(yù)留，即盡可能預(yù)留第二象限用地條件），主線最大縱斷坡4%、匝道最大縱斷坡5%控制，具體方案如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 方案一：對(duì)角象限苜蓿葉+半定向匝道互通立交示意圖

圖3 方案二：環(huán)形+掉頭+半定向匝道組合式互通立交示意圖

圖4 方案三：集約形組合式立交示意圖

方案一：采用常規(guī)對(duì)角象限苜蓿葉立交形式，通過(guò)兩個(gè)環(huán)形匝道及兩個(gè)半定向匝道實(shí)現(xiàn)道路左轉(zhuǎn)向交通功能，交通指示清晰。

方案二：結(jié)合遠(yuǎn)期交通量預(yù)測(cè)，充分利用道路高差關(guān)系及地形條件采用環(huán)形+掉頭+半定向匝道實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)交通功能，交通指示相對(duì)清晰，掉頭匝道（遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)交通量為309 p c u/h），繞行較遠(yuǎn)。

方案三：充分利用東北側(cè)第一象限集中布置立交匝道，減少山體開(kāi)挖及立交總體占地，因集中單象限展線，部分匝道相互跨越，立交匝道平縱線形指標(biāo)相對(duì)較低。

3.2 立交方案綜合評(píng)價(jià)

3.2.1 立交方案評(píng)價(jià)指標(biāo)分析及權(quán)重賦值

根據(jù)2.1節(jié)中城市立交評(píng)價(jià)指標(biāo)表，結(jié)合該立交方案特點(diǎn)，忽略如交通疏解、管線遷改、飽和度、分期修建適應(yīng)性等與此次節(jié)點(diǎn)方案評(píng)價(jià)關(guān)系較?。ɑ驘o(wú)關(guān)）的指標(biāo)，選取對(duì)此次方案優(yōu)選有針對(duì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體指標(biāo)評(píng)價(jià)量化及評(píng)價(jià)指標(biāo)賦值如表2所列。

表2 立交方案評(píng)價(jià)指標(biāo)一覽表

3.2.2 立交方案各因素的隸屬度計(jì)算

根據(jù)3.1節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)分析結(jié)果，結(jié)合2.2節(jié)中隸屬度計(jì)算方法，得出各方案不同因素率速度集合如式（5）所示：

3.2.3 立交方案綜合評(píng)價(jià)計(jì)算及分析

對(duì)三種立交方案的綜合評(píng)價(jià)及計(jì)算：

由計(jì)算結(jié)果分析可知：方案二（環(huán)形+掉頭+半定向組合互通立交）具有較好的綜合性能。從定性角度來(lái)分析，方案二雖存在小交通量需求掉頭匝道，但總體交通指標(biāo)與方案一相當(dāng)，略差于方案三，此外方案二在用地、工程經(jīng)濟(jì)、拆遷上具有較明顯的優(yōu)勢(shì)，因此推薦選用方案二是合適的。從以上分析可知，采用基于模糊理論的立交綜合評(píng)價(jià)方法推選的立交方案具有一定的適用性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)城市立交的分類(lèi)和特點(diǎn)進(jìn)行基礎(chǔ)分析研究，建立了基于模糊理論的城市立交綜合評(píng)價(jià)模型，建立了符合城市立交特點(diǎn)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并結(jié)合工程實(shí)際案例分析，采用了基于模糊理論的綜合評(píng)價(jià)模型進(jìn)行方案優(yōu)選。通過(guò)與傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析法對(duì)比研究，認(rèn)為基于模糊理論的量化分析方法具有可操作性和適應(yīng)性。