摘 要 引入服务水平与行人群的概念,用以确定地铁出入口通道的数量。列出了平均步距最短的通道优化设计目标函数,并列举六种典型状况以及适用条件的分析。对于通道内步行设施优化设计提出了一些案例。
地铁站的步行通道设计直接影响乘客出行的舒适度及换乘的便捷性。步行通道优化设计最主要的目标是减少乘客换乘的步行距离,同时通过设施设计减少行人间的摩擦,提高步行效率,缩短换乘时间。
1 地铁站出入口通道数量的确定
出入口通道的数量由高峰小时客流量确定,同时也要充分考虑乘客的舒适度及出口地面处的容纳条件。现在许多设计规范中,普遍使用通行能力作为确定通道数量的参数。这种计算方法有其弊处。因为通行能力为通道内行人流稳定行走的最大流率,计算的结果相当于在通道使用的极限情况下应设置的最小通道数。当客流量接近或达到通行能力时,入口通道可利用的有限面积会限制行人的行走速度和在人流中行走的自由,一旦遇到特殊情况,通道内易发生堵塞,安全性不能保障。所以, 在确立地铁站出入口通道的数量时还应考虑通道的服务水平。地铁站通道内经常会出现在某个很短的时间内涌出大量人群、随后一段时间又无人流的情况。因此计算出入口的数量时, 应选择人群流率Qmax (人/ (h ·m) ) 作为最大客流量。假设高峰小时客流率预测为Q0 (人/ (h ·m) ) ,则根据《道路通行能力手册》有关人群的步行特征分析, 人群流量Qmax 与Q0 存在线性关系: Qmax = A Q0 + B (1)
式中参数A 、B 可由现有地铁通道行人流量调查数据回归分析得出。假设在某一确定服务水平下,通道内行人的平均流率为q , 地铁站每个出口通道的有效宽度为wp ,则出口通道的数量为: n = Qmax q ×wp (2)
在运营期间, 由于地面吸引点的性质不同, 乘客行走各通道的流量并非均匀分布。但在特殊情况下(如火灾时) ,出入口的数量和宽度就能满足在最短时间内全部疏散最大乘客流量。
2 换乘通道优化函数
作为衔接地铁与地面公交车站的换乘通道,应使通道步距缩至最短, 并设置自动步道或步梯, 提高行走速度,从而减少步行时间。
在地铁站设计时,充分考虑地铁与公交的换乘需求,优化地铁站的局部位置, 以实现如下两个目标:
(1) 乘客行走各出入口时达到最短的加权平均路径。由于换乘需求不同, 各衔接通道的利用率也各不相同。故定义参数ri ,表示在长期的运营中, 乘客到达交通吸引点i 的比例(同时也表示行走i 通道的比例) ; pi 为乘客下车后到第i 处交通吸引点的平均步距(不考虑乘客下车时在站台上的位置差异) 。则此优化目标函数PI 值可以表达为: PI = r1 p1 + r2 p2 + .+ rnpn (3) 其中n ≥2 。
(2) 对于换乘公共汽车的乘客, 换乘通道内行人加权步距最短。假设n 个出口通道中j ～ k 为换乘通道,则此优化目标函数PI 值可以表达为: PI = rjpj + .+ rkpk (4)
其中, ( rj .rk) A ( r1 , r2 .rn) 。
对于单个换乘通道的步距, 也应给予上限, 一般p ≤200 m。
以上两个目标函数,首先须满足式(4) 达到最小值。在式(4) 满足最小值的基础上, 再平衡式(3) ,此时式(3) 可能无法达到最小值。
3 地铁乘客换乘公共汽车步行距离的计算此算例假设出入地铁站的乘客全部进行换乘, 即rj + .+ rk = 1 。
3. 1 地铁站与交叉口的位置
假设地铁站建筑纵向长度为R , 宽度为S (不计出入口通道延伸长度) 。十字交叉口纵向道路的宽度为a ,横向道路的宽度为b ( a 、b < R) 。如图1 所示。
交叉口过街设施与乘客换乘通道进行一体化设计。在计算换乘步距时, 只计入乘客在轨道交通车辆与公共汽、电车站间换乘的绝对步距, 不计乘客在轨道交通站内步行迂回距离。当地铁站与十字交叉口正交时,根据它们之间的位置关系,选择以下4 种布设方式:
1) 地铁站位于一条道路的正下方, 且地铁走向与此道路平行;
2) 地铁站位于一条道路的正下方, 且地铁走向与此道路垂直;
3) 地铁站位于一条道路的斜下方;
4) 地铁站位于交叉口的正下方,且地铁站的中心与交叉口的中心重合。
图1 地铁站在交叉口布置方式示意图
3. 2 公共汽车换乘站在交叉口进出口道的布设
为减少地铁站到公共汽车站点的换乘步距,应尽量把不同走向的公交线路站布置于交叉口周边, 但不能影响交叉口的通行能力。许多大城市在此方面都有自己的规定。上海市规定[1 ] :在交叉口上游布站时(不展宽进口道) ,停靠站位置应在右侧车道最大排队长度再加15 ～ 20 m 处;在下游右侧不展宽车道设站时,停靠站在干路上距停车线不应小于50 m 。北京也有相应的规定值。在本文中, 假设公交停靠站布置于规范的极限值上,即为靠近交叉口的最短距离:交叉口上游, 公交站台离交叉口边缘的距离为L b1 ; 交叉口下游, 公交站台离交叉口边缘的距离为L b2 。
为缩短乘客换乘步距,假设当L b1 或L b2 位于地铁站建筑纵向范围以内时,可在地铁站一侧直接对应公交车站设计出入口。
3. 3 最短换乘步距的计算
方式1 :地铁站位于一条道路的正下方, 地铁走向与此道路平行, 且距横向车道边缘的距离为c (由于示例为交叉口换乘,故假设c ≤ a 、b) 。把十字交叉口所分离的4 个区编号,如图1 所示。假设乘客在候车区是沿站台平均分布, 所以乘客下车后走至通道口的平均步距为R/ 2 。
定义r11 为到①区进口道(交叉口上游) 换乘公共汽车的乘客的比例, r12 为到①区出口道(交叉口下游) 换乘公共汽车的乘客的比例,依次类推。则
r11 + r12 + r21 + .+ r41 + r42 = 1 (5)
与r11 所对应的乘客平均步距为: R + a 2 + c + L b1 (6)r12 所对应的乘客平均步距为: R + a 2 + L b2 - ( R + c) (7)
故方式1 中,乘客在地铁和公共汽车间换乘的平均步距为: PI1 = 12 [1 - 2 ( r12 + r41) ] R + a2 + [1 - ( r12 + r41) - ( r11 + r42) b + [1 - 2 ( r12 + r41) ] c + AL b1 + BL b2 (8)
其中:
A = r11 + r21 + r31 + r41
B = r12 + r22 + r32 + r42
(9) 同理,方式2 中, 地铁站位于一条道路的正下方,且地铁走向与此道路垂直, 设地铁站距纵向车道边缘的距离为d (假设d ≤a 、b) ,则乘客在地铁和公共汽车间换乘的平均步距为: PI2 = 12 [1 - 2 ( r11 + r22) ] S + [1 - ( r11 + r22) - ( r12 + r21) ] a + b2 + [1 - 2 ( r11 + r22) ] d + AL b1 + BL b2 (10)
方式3 中, 地铁站位于一条道路的斜下方。设地铁站距横向车道边缘的距离为c ,距纵向车道边缘的距离为d ,则乘客在地铁和公共汽车间换乘的平均步距为: PI3 = 12 (1 - 2 r12) R + 12 (1 - 2 r11) S + ( r31 + r32 + r41 + r42) a + ( r21 + r22 + r31 + r32) b + (1 - 2 r12) c + (1 - 2 r11) d + AL b1 + BL b2 (11)
方式4 中, 地铁站位于交叉口的正下方, 且地铁站的中心与交叉口的中心重合。乘客在地铁和公共汽车间换乘的平均步距为: PI4 = a + b 2 + AL b1 + BL b2 (12)
在实际情况中,乘客到各个公交站台的比例趋向于不同的定值。根据换乘需求方向的不同, 假设以下6 种典型状况:
1) 乘客换乘需求平均分布。即r11 = r12 = r21 = . = r41 = r42 = 1/ 8 。
2) 换乘主方向与地铁线路行车方向垂直, 其总量是平行方向上的两倍;在两换乘方向内部各公交站台换乘需求均匀分布。即r11 = r22 = r31 = r42 = 1/ 6 ; r12 = r21 = r32 = r41 = 1/ 12
3) 换乘主方向与地铁线路行车方向平行, 其总量是垂直方向上的两倍;在两换乘方向内部各公交站台换乘需求均匀分布。即r11 = r22 = r31 = r42 = 1/ 12 ; r12 = r21 = r32 = r41 = 1/ 6
4) 换乘流量全部位于交叉口南进、出口, 且呈均匀分布。即r12 = r41 = 1/ 2
5) 换乘流量全部位于交叉口西进、出口, 且呈均匀分布。即r11 = r22 = 1/ 2
6) 换乘流量全部位于①区,且呈均匀分布。即r11 = r12 = 1/ 2 6 种状态下4 种布站方式最短换乘步距的计算结果如表1 所示。
由算例可以看出:
1) 当道路宽度及出入口位置确定后, 方式4 (地铁站位于交叉口正下方) 的换乘加权步距与换乘的方向性无关,且为一定值。
2) 当乘客换乘需求平均分布或换乘主方向与地铁线路行车方向垂直时, 方式2 (地铁站位于一条道路的正下方,且地铁走向与此路段垂直) 也是较为理想的选择。见图2 所示。
3) 当各方向都有换乘需求时(状况1 ～ 3) ,方式4 (地铁站位于交叉口正下方) 的换乘加权步距最小。
4) 当换乘只在某个方向或区域存在需求时(状况4 ～ 6) ,就近设置地铁站是较好的布设方案。
图2 乘客换乘需求平均分布情况下的4 种换乘加权步距 对于方式1 (地铁站位于一条进口道的正下方,地铁走向与此路段平行) ,不适应于换乘主方向与地铁线路行车方向垂直的情况。见图3 所示。
图3 方式1 布站情况下6 种状况的换乘加权步距
6) 对于方式2 (地铁站位于一条道路的正下方,且地铁走向与此路段垂直) ,不适应于换乘主方向与地铁线路行车方向平行的情况。见图4 所示。
图4 方式2 布站情况下6 种状况的换乘加权步距
7) 方式3 的换乘步距较大,除在状况6 (换乘流量全部位于①区) 的情形下,一般不建议采用此方式设站。
4 步行系统改善措施
通过合适的改善设计,可减少行人设施存在的瓶颈,提高步行通道的通行能力。
1) 在高密度的行人通道中,同向走行的乘客之间相互干扰。行人会利用一切空挡超越前者,从而会引起对对向人流的干扰。在这种情况下,可以在通道中间放置一些柱状物,起隔离墙的作用。行人若要走到另一侧,需要绕道行走,这样会减少行人占用对人流空隙的情况。
2) 在通道设施的突变处,把突变改为漏斗形的渐变,可以提高行人通过瓶颈处的流畅性,其最佳的形式是球状外凸形渐变。见图5 所示。
3) 当两股人流垂直相交时,会出现不同方向上行人间的对顶。若在相交处放置圆形障碍物形成绕行,可以减少步行效率的损失。根据仿真显示,步行效率可提高13 %。
地铁站步行通道优化设计的目的是提高通行能力和减少换乘步距。由于建成后的地铁站不易改动位置,而仅调整公交线网或公交站台只能起到局部改善衔接换乘的作用,所以在确定地铁站的局部位置时就应充分考虑其与公交换乘的优化衔接, 使换乘系统达到最佳的设计。
