張曉楠

(鄭州市規(guī)劃勘測設計研究院 ， 鄭州 450052)

1 概述

根據(jù)《中國主要城市道路網(wǎng)密度檢測報告(2019年度)》[1]，2019年度我國主要城市214個行政區(qū)(縣)的路網(wǎng)密度平均值為6.3 km/km2，其中路網(wǎng)密度超過8 km/km2與10 km/km2的行政區(qū)(縣)占比分別為16%與3%. 由此可見，我國主要城市的道路布局大多數(shù)以“寬馬路、稀路網(wǎng)”為基本原則，由此引發(fā)交通擁堵、交通安全等諸多社會問題.

針對傳統(tǒng)“寬馬路、稀路網(wǎng)”的道路布局引起的社會問題，“窄馬路、密路網(wǎng)”成為我國城市規(guī)劃解決交通問題的新途徑. 2016年2月，中共中央國務院印發(fā)《關于進一步加強城市規(guī)劃建設管理工作的若干意見》(以下簡稱《意見》)，《意見》提出要樹立“窄馬路、密路網(wǎng)”的道路布局理念. 2018年4月，中共中央、國務院對《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》(以下簡稱《綱要》)做出批復，綱要提出：起步區(qū)路網(wǎng)密度達到10～15 km/km2. 《意見》的發(fā)布、《綱要》的批復，表明無論是國家政策還是國家新區(qū)的建設，都在提倡“窄馬路、密路網(wǎng)”道路布局理念的實踐.

城市的路網(wǎng)容量無論在城市交通規(guī)劃、城市交通管理政策制定等方面都是重要的決策變量. 研究“窄馬路、密路網(wǎng)”道路布局理念的路網(wǎng)容量，尋找其計算方法，對于更加精確的獲取路網(wǎng)承載數(shù)據(jù)，為交通規(guī)劃、交通政策制定、交通管理等提供重要的決策支持.

路網(wǎng)容量研究最早開始于20世紀50年代，經(jīng)過Ford等[2-5]交通學者的長期研究，包括割集法、時空消耗法等多種路網(wǎng)容量模型先后被提出. 我國對于城市道路路網(wǎng)容量的研究開始于20世紀80年代，大多是基于國外的研究成果，針對我國國情和具體情況，對模型加以改進. 我國學者的早期研究成果中，關忠和[6]利用“時空消耗法”的理論，研究我國城市道路路網(wǎng)容量，提出了道路占有率的概念. 陳春妹[7]提出城市路網(wǎng)的時間特性，并給出了路網(wǎng)容量的研究周期. 章錫俏等[8-11]諸多學者從時空資源利用、路網(wǎng)節(jié)點、通行能力等角度，分別研究了特定情形下的路網(wǎng)容量. 由于現(xiàn)有研究成果多停留在理論層面，模型實用性不高，對“窄馬路、密路網(wǎng)”道路布局理念下的路網(wǎng)特性考慮不夠全面.

本文針對目前國內(nèi)“窄馬路、密路網(wǎng)”的道路布局趨勢，對該布局理念下的路網(wǎng)容量模型進行研究. 以時空消耗理論為基礎，分析在窄路密網(wǎng)條件下路網(wǎng)參數(shù)的變化情況，并對路網(wǎng)容量模型進行修正，構建窄路密網(wǎng)下的城市道路路網(wǎng)容量模型.

2 相關概念

根據(jù)技術規(guī)范中規(guī)定的技術標準與相關城市規(guī)劃經(jīng)驗，定義“窄馬路、密路網(wǎng)”道路布局理念下有關指標.

路網(wǎng)密度：根據(jù)《規(guī)范》中道路等級的劃分，將窄路密網(wǎng)道路布局理念下的道路分為干道與支路，其中干道包括快速路、主干路、次干路. 在窄路密網(wǎng)道路布局理念下，干道路網(wǎng)的路網(wǎng)密度一般為(4～5) km/km2，支路路網(wǎng)的路網(wǎng)密度一般不小于6 km/km2，因此，本文中將窄路密網(wǎng)條件下的路網(wǎng)密度最小值定為10 km/km2.

路網(wǎng)級配：根據(jù)《規(guī)范》，道路等級越高、其相應等級的路網(wǎng)密度越低，路網(wǎng)級配呈金字塔狀分布. 根據(jù)《規(guī)范》以及相關城市規(guī)劃經(jīng)驗，窄路密網(wǎng)布局理念下各等級道路的級配按照快速路、主干路、次干路、支路的順序排列為1∶2∶3∶7.

道路寬度：干道包括快速路與主次干路，以雙向四車道及以上為主，因此干道道路寬度為24～50 m；支路為雙向兩車道或單行道道路，其寬度為10～20 m之間.

3 路網(wǎng)容量模型

3.1 時空消耗理論

在城市路網(wǎng)中，小汽車行駛時需要消耗城市路網(wǎng)的時間與空間資源，在城市交通規(guī)劃、城市交通管理等實踐中，都以小汽車行駛時的時間或空間資源管理為突破點，尋找解決交通問題的新途徑. 城市道路的空間資源從廣義上來講為城市道路紅線內(nèi)的面積總和，由于目前交通問題的產(chǎn)生基本來源于小汽車交通，因此，對于小汽車來講，道路的空間資源為城市路網(wǎng)中機動車道的總面積. 城市路網(wǎng)的時間資源一般來說為城市路網(wǎng)的通行時間.

在“時空消耗”理論中，路網(wǎng)容量反映了城市路網(wǎng)時間與空間總資源與居民出行消耗時間與空間資源的關系. 因此，路網(wǎng)容量是路網(wǎng)的時間與空間總資源與居民單次出行消耗資源的比值. 本文以該理論為基礎，構建路網(wǎng)容量的理論模型：

(1)

式中，C為路網(wǎng)容量；CR為城市路網(wǎng)提供的時空總資源；CP為居民出行平均消耗的時空資源；L為路網(wǎng)運營長度；T為路網(wǎng)運營時間；D為道路運營寬度；lC為小汽車行駛時所需要的道路長度；d為小汽車行駛時所需要的道路寬度；t為平均出行時間；h為研究時段內(nèi)道路上車輛的車頭間距；k為機動車道的車輛密度；l為居民的平均出行距離；v為機動車行駛速度.

時空消耗法理論模型中，參數(shù)k(1條機動車道上的機動車交通密度)、v(機動車行駛速度)、l(居民平均1次出行距離)可通過城市綜合交通調(diào)查中獲取，視城市情況而定.其余參數(shù)都需要獨立建模求解，下面對模型中的參數(shù)進行建模.

3.2 城市路網(wǎng)中道路的運營長度(L)

“窄馬路、密路網(wǎng)”道路布局理念下，城市機動車道的有效運營長度為機動車總長度減去交叉口范圍內(nèi)機動車道長度.路段與交叉口構成路網(wǎng)的基本組成單元，如圖1所示.快速路與低等級道路相交時，一般采用立體交叉，在交叉口處基本不會產(chǎn)生延誤，因此，對于快速路，其有效運營長度等于快速路的長度.

圖1 路網(wǎng)組成基本單元

(2)

Li=1 000ρSαiFLi

(3)

(4)

式中，L為城市路網(wǎng)中道路運營總長度；i為城市道路的等級；Li為城市道路中道路等級i運營長度；αi為城市道路中道路等級i的比例；ρ為城市道路網(wǎng)密度；S為路網(wǎng)區(qū)域面積；FLi為運營長度系數(shù)；LDij為城市道路中等級i道路與第j條道路相交的道路紅線寬度；mi為與城市道路中等級i道路的交叉口數(shù)量.

3.3 城市路網(wǎng)中道路的運營寬度(D)與小汽車行駛時所需要的道路寬度(d)

根據(jù)《城市道路交通規(guī)劃設計規(guī)范》(GB50220—95)，城市主干路及以下道路設計速度均不超過60 km/h，快速路設計速度最高一般為80 km/h，小汽車在行駛過程中所需要的橫向安全距離一般在3.25 m范圍內(nèi)，大型車所需要的橫向安全距離在3.5 m范圍內(nèi).

在小汽車行駛過程中，其所需要的橫向寬度一般在1條車道的寬度范圍內(nèi)，當1條車道被1輛小汽車占用，雖然該小汽車沒有將車道的橫向距離全部占用，但是其剩余的距離不滿足另一輛小汽車的通行. 因此，無論車道數(shù)是幾條，單車行駛所需要的橫向寬度為1條車道的寬度. 道路有效寬度為車道寬與車道數(shù)乘積. 因此，道路的有效空間資源可用道路的有效營運長度與道路有效寬度的乘積表示.

3.4 城市路網(wǎng)中道路的運營時間(T)

本文以高峰小時為研究時段. 城市路網(wǎng)中道路的運營時間為研究時段減去路網(wǎng)延誤時間. 其中，路網(wǎng)延誤時間為車輛在交叉口行駛時，由于車輛排隊、等候、起步停車等造成的延誤. 由于快速路不受交叉口的影響，因此，快速路的運營時間比例為1. 路網(wǎng)運營時間用FT表示，則路網(wǎng)運營時間可表示為式(5)～(7)：

T=FTTO

(5)

(6)

(7)

式中，F(xiàn)Ti為城市路網(wǎng)運營時間比例；TO為研究時段，本文以高峰小時為研究時段，因此本文3 600 s；lt為交叉口間距；vi為車輛在等級i道路路段的車速；a，b分別表示汽車在起步與停車時的加速度；Δi為汽車在路網(wǎng)交叉口的平均等候時間.

3.5 模型參數(shù)修正

3.5.1 交叉口交通組織方式的修正

將交叉口的交通組織方式分為3類，包括雙向與雙向交叉、雙向與單向交叉、單向與單向交叉.相比于雙向道路交叉口的交通組織，單向道路的交叉口交通組織更為簡單，沖突點更少，交通效率更高.在窄路密網(wǎng)的道路布局理念下，路網(wǎng)的形態(tài)將更有利于單向交通組織，因此路網(wǎng)的沖突點將減少.本文以交通組織修正系數(shù)的形式對路網(wǎng)容量模型進行修正.交通組織修正系數(shù)可表示為式(8)(9)：

(8)

(9)

式中，fa為交通組織修正系數(shù)；γi為城市路網(wǎng)中i類交叉口交通組織方式?jīng)_突點的降低率；qi為城市路網(wǎng)中i類交叉口交通組織方式的數(shù)量；pi為城市路網(wǎng)中i類交叉口交通組織方式?jīng)_突點總數(shù)；po為雙向與雙向交叉時沖突點總數(shù)；q為交叉口總數(shù).

3.5.2 橫斷面形式的修正

道路橫斷面在窄路密網(wǎng)理念下與寬馬路希路網(wǎng)相比將發(fā)生較大變化.支路的數(shù)量將大幅增加，因此道路橫斷面的變化對容量的影響不容忽略.本文以交通橫斷面修正系數(shù)的形式對路網(wǎng)容量模型進行修正.

4塊板的道路橫斷面中，由于機動車道與非機動車道、機動車道與對向車道都采用物理隔離的方式，因此，在4塊板的道路橫斷面中，汽車行駛時既不受非機動車與行人的影響，也不會受對向車道車輛的影響.因此，在4塊板的道路橫斷面中，橫斷面形式的修正系數(shù)：

fb1=1

(10)

3塊板的城市道路橫斷面中，機動車道與非機動車道采用物理隔離的形式，但是對向車道沒有采取物理隔離.機動車在行駛過程中不受非機動車與行人的干擾，但是受對向車輛的干擾，因此，3塊板道路橫斷面的修正系數(shù)為：

fb2=a+bQ

(11)

2塊板的道路橫斷面中，對向車輛采取物理隔離，機動車與非機動車道沒有采取隔離.車輛在行駛過程中會受非機動車與行人的干擾，但是不會受對向車輛的干擾.因此，兩塊板道路橫斷面的修正系數(shù)為：

fb3=c+dX

(12)

1塊板的道路橫斷面中，機動車與非機動車道、對向車道均沒有采取物理隔離，因此車輛在行駛過程中，既會受非機動車與行人的干擾，也會受對向車輛的干擾.因此，其修正系數(shù)為：

fb4=e+fX+gQ

(13)

根據(jù)各橫斷面形式中路段的數(shù)量，基于各橫斷面形式的修正系數(shù)，構建窄路密網(wǎng)條件下修正系數(shù)模型：

(14)

式中，fb為橫斷面修正系數(shù)；lbj為橫斷面j的路段長度；Q為對向機動車道的機動車流量；X為非機動車流量.

3.5.3 交通需求與路網(wǎng)供給的匹配度修正

以交通需求與路網(wǎng)供給的匹配度作為修正系數(shù)對路網(wǎng)容量模型進行修正：

(15)

(16)

(17)

式中，βi為路段i的飽和度；βo為城市路網(wǎng)的平均飽和度；li為路段i長度；Vi為路段i交通量；δi為道路設計水平；COi為路段i的可能通行能力；在實際應用過程中，如沒有具體交通數(shù)據(jù)時，fc一般取經(jīng)驗值0.7～0.9.

3.6 路網(wǎng)容量修正模型

根據(jù)對時空消耗模型參數(shù)中城市路網(wǎng)中道路的運營長度(L)、城市路網(wǎng)中道路的運營寬度(D)與小汽車行駛時所需要的道路寬度(d)、城市路網(wǎng)中道路的運營時間(T)以及交叉口交通組織方式的修正、橫斷面形式的修正、交通需求與路網(wǎng)供給的匹配度修正的討論，得到窄路密網(wǎng)布局理念下，城市道路路網(wǎng)容量的修正模型.

(18)

圖2 “寬路稀網(wǎng)”與“窄路密網(wǎng)”路網(wǎng)布局

4 模型驗證

本文以1 km×1.2 km的方格路網(wǎng)為案例. 按照 “窄馬路、密路網(wǎng)”布局理念下的路網(wǎng)容量模型計算2種路網(wǎng)布局的路網(wǎng)容量. 對比路網(wǎng)加密前后的路網(wǎng)容量，在路網(wǎng)相同服務水平下，寬路稀網(wǎng)的路網(wǎng)密度由4.5 km/km2增加到窄路密網(wǎng)的12.8 km/km2，路網(wǎng)密度增加2.84倍，而路網(wǎng)容量由2 378 pcu/h提升至4 344 pcu/h，提升83%. 由2種路網(wǎng)布局下的路網(wǎng)容量結論對比發(fā)現(xiàn)，窄路密網(wǎng)的道路布局有助于路網(wǎng)容量的提升，但是路網(wǎng)容量的增加與路網(wǎng)密度的增加并不呈線性關系.

對于上述結論計算過程，部分模型參數(shù)的對比如表1所示：

表1 加密路網(wǎng)前后參數(shù)對比

通過對表1進行分析，路網(wǎng)容量的參數(shù)變化如下：

1)由于路網(wǎng)密度的增加，交叉口間距減少，由于交叉口行程的交通延誤增加，導致路網(wǎng)的平均運營時間比例降低，平均出行時間增加.

2)由于路網(wǎng)采取更多的單向交通組織，交通沖突點減少，因此交叉口交通組織的修正系數(shù)增加.

3)由于支路規(guī)模的增加，車輛行駛受行人、非機動車以及對向車輛的干擾增加，道路橫斷面形式的修正系數(shù)降低.

4)由于窄路密網(wǎng)擁有更均勻的路網(wǎng)分布，交通需求與路網(wǎng)供給的匹配度更好，因此交通需求與路網(wǎng)供給的匹配度修正系數(shù)增加.

5 結論

以“窄馬路、密路網(wǎng)”布局理念下的路網(wǎng)容量為研究對象，根據(jù)“窄馬路、密路網(wǎng)”的路網(wǎng)特征，對路網(wǎng)密度、路網(wǎng)級配、道路間距進行了梳理研究. 以時空消耗理論模型為基礎，對模型中的4個參數(shù)包括城市路網(wǎng)中道路的運營長度(L)、城市路網(wǎng)中道路的運營寬度(D)、小汽車行駛時所需要的道路寬度(d)、城市路網(wǎng)中道路的運營時間(T)進行詳細分析. 此外，針對窄路密網(wǎng)道路布局，對時空消耗理論模型進行模型修正分析，共進行3次修正，包括交叉口交通組織方式的修正、橫斷面形式的修正、交通需求與路網(wǎng)供給的匹配度修正，并建立了各修正系數(shù)的計算模型. 基于上述分析，論文構建了窄路密網(wǎng)道路布局理念下的城市路網(wǎng)容量模型.

論文以一個1 km×1.2 km的方格路網(wǎng)為案例，分別對路網(wǎng)加密前后進行路網(wǎng)容量計算分析，對比研究路網(wǎng)加密前后路網(wǎng)容量與計算參數(shù)的變化，研究發(fā)現(xiàn)，窄路密網(wǎng)有助于提升路網(wǎng)的容量. 在本案例中，每平方公里的城市土地上，道路密度每增加1 km，路網(wǎng)容量增加237 pcu/h.