鄒江源 葉霞飛

(1.廣州地鐵設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.上海市軌道交通結構耐久與系統(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，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施構成的慢行接駁系統(tǒng)的規(guī)劃設計顯得尤為重要。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構、防火防災、景觀設計、微觀行人交通流特性以及接駁交通設施銜接等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]，或結合現(xiàn)有工程案例總結設計經(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和理論支撐。

1 東京軌道交通車站出入口設置情況調查

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系等進行了調查。

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等最低要求的出入口設施作為基準方案，并以此為基礎向車站周邊搜索合理方案。

2.2 確定車站出入口的備選結點

在車站周邊一定范圍內確定出入口的備選結點，以備選結點構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查結果可知，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點，形成搜索方法的待搜索結點集合。以備選路徑和備選結點構建出入口布局網(wǎng)絡，并以備選結點作為出入口規(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 確定備選結點到車站可修建通道的有效路徑

備選結點和車站間可修建通道的有效路徑應滿足以下約束條件。

2.3.1 路徑長度

車站出入口通道不會無限制向周邊延伸?；趯|京軌道交通車站的調查結果，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)狀結構中，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點建立車站出入口布局方案的待搜索結點集合，結合待搜索結點與車站間的有效路徑集合，判定備選結點是否應設置出入口。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：假設車站研究范圍內有n個已知結點，按照結點和車站間最短路徑距離由長到短對n個結點進行排序，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點作為當次搜索的結點。假設第i次搜索的結點為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SJi,min為結點Ji的備選路徑，SJi,min途徑的結點離車站的距離由遠到近依次為Ji,Ji，1,Ji，2，…,Ji，n，假設第i-1次搜索后合理方案結點集合為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i-1次搜索后確定合理方案Pi-1對應的社會成本為CA,i-1，在此方案的基礎上增加結點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:通過結點集合X對路徑SJi,min上的結點進行判定，初始X為空。假設路徑SJi,min途經(jīng)的結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的順序對路徑SJi,min上的結點依次進行判定。假設被判定結點為Jβ，將路徑SJi,min中距Jβ距離車站更近的結點進行組合，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的后一個結點,直到路徑SJi,min上的所有結點判定完成，最終通過結點集合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次搜索結束后新的備選集合A。

7)步驟7:若步驟6結束后，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，則搜索結束。假設第i-1次搜索已完成，經(jīng)i-1次搜索后確定可建設方案對應的社會成本為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才能作為可建設方案。

受車站出入口設施影響的社會成本包括建設成本、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

假設地下車站出入口設施的建設年為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，圍護結構采用SMW(勁性水泥土攪拌樁)。地下通道覆土厚度為3 m，內部凈高為4 m，頂板、底板和側墻厚度均為600 mm。人行地道寬度的設計能力取值為1 380人/(m·h)，通道設計寬度計算值不足3.75 m的取3.75 m。車站土建設施年維修費率取0.01，其他設備維修費率取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設施和管理方式。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范圍內選取了出入口備選位置，將備選位置合并為備選結點,分別記為1號—5號結點，并以0號結點代表地下車站的位置，如圖2所示。

3.4 接駁數(shù)據(jù)錄入及結果輸出

根據(jù)車站附近既有步行設施和待搜索的出入口結點位置，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，并轉化為計算機程序，通過算例說明了本模型的可行性。