基于行人动态仿真的地铁换乘站建筑设计优化研究——以武汉市轨道交通大智路为例

郭佳樑 吴哲凌

（中国建筑设计院有限公司 北京 100044）

引言

随着地铁建设的推广及快速开发，越来越多的地铁车站需要与已建成线路进行接驳换乘，考虑新老线路今后共同运营需求，需要在设计层面对新建地铁站进行客流、运营、消防疏散等方面的模拟分析，对新建车站提出切实可行的改善建议。本文通过对武汉地铁大智路换乘站进行行人仿真模拟分析，利用Legion软件建立车站空间布局及设施模型，反映乘客在车站内运动规律。

大智路站是武汉市地铁1号线、6号线的换乘站，由6号线地下二层和1号线高架一层组成：共有6个进出口，其中4个进出口位于地下一层、2个进出口位于高架层；6号线与1号线换乘客流通过4部超长的自动扶梯相连。

1 研究目标及主要工作内容

1.1 研究目标

在已有的预测需求基础上，建立高品质的计算机仿真模型，对车站未来年（2042年）早高峰时段的站内乘客的活动进行模拟，从而对车站的运行情况进行预判，为建筑方案的详细设计和优化提供建议和依据。

1.2 主要工作内容

（1）收集相关数据，对已有的预测需求数据进行理性分析，并将其转化为计算机模型的输入。

（2）根据已有初步建筑设计的方案，对未来年建立高品质的行人仿真模型。

（3）获取重要的模型输出数据、分析图、视频演示等方面的资料。主要包括：站台和站厅层的行人空间使用率图、密度图、乘客换乘时间等。

（4）根据系统仿真测试，分析方案的运营状态，提供方案优化设计建议。

（5）对优化后的车站设计方案进行仿真，观察优化设计效果，对需要进一步改善的地方提出建议。

2 基础数据分析

2.1 远期高峰小时需求数据

根据收集的早高峰客流需求，如表1所示。

2.2 未来年交通需求矩阵推算方法

需求矩阵可以分为两个部分：①地铁的进站、出站客流；②地铁不同线路站台之间的换乘客流。交通需求矩阵计算过程可以拆分为以下几个步骤：

第1步：各线路不同站台进、出站客流总量；

第2步：地铁同线路不同站台之间的换乘；

第3步：地铁不同线路之间的换乘；

第4步：各出入口进、出地铁客流总量。

2.3 进、出站客流比例

根据提供的分向客流预测，四个出入口的分向比例基本都在25%左右，差别不大。

2.4 远期早高峰小时需求矩阵

根据各个进出口的客流比例，将早高峰小时的进出站总客流分配到每个出入口，得到早高峰小时完成需求矩阵如下。早高峰小时总客流量22324。

表2 大智路站远期早高峰小时完成需求矩阵

2.5 列车运营相关数据

根据提供的资料，模型中对远期1、6号线的列车发车频率做如下设定：1号线：30对/h；6号线：30对/h；6号线均为6A编组，1号线采用4节编组。

3 模型的建立

3.1 模型建立的方法

Legion模型基于设计单位提供的CAD图建立。运用现有的最先进的计算机行人模拟软件Legion Spaceworks建立模型。车站需求基于预测的数据进行的一些假设（见第2章）来确定。

3.2 模型的主要假设

计算机模型的建立，往往需要对一些重要输入数据进行合理的假设，作为已有数据的良好补充。这些假设依照国内外相关机构的设计标准及调研数据来确定。

本研究中采用的主要假设有：

（1）购票比例为10%；

（2）自动售票机的平均交易时间为30s；

（3）闸机的通过能力采用30人/min；

（4）自动扶梯运行速度为0.6m/s；

（5）自动扶梯的通过能力上行约为110人/min，下行约为95人/min。这个取值是通过对国内几个繁忙的地铁站点的现场观测而确定的；

（6）单向/双向楼梯、通道的通过能力不超过相关规范的最大通过能力。

4 模型的输出数据及分析

4.1 模型成果输出的格式简介

大智路站Legion模型输出数据的格式主要包括下列形式：

（1）模型运行情况视频文件。

（2）空间使用率图。显示车站内部空间被乘客使用的情况。

（3）平均密度图。显示车站内部空间的平均行人密度，密度越高则色彩越偏红色，密度越低则越偏蓝色。

（4）最大密度图。显示车站内部空间瞬时的最大行人密度。

大智路站Legion模拟还采用以下图表进行分析和统计：

（1）换乘时间统计图，拟对两条地铁线路之间的换乘时间进行统计。这里换乘时间是指从乘客下车到达另外一条地铁线的站台所需要的时间。

（2）站台密度图，主要用来观察站台上的服务水平。

4.2 早高峰小时模型

平均密度图、最大密度图如图1。

4.2.1 空间密度分析

图1 早高峰小时模型平均密度图

从图中可以看出换乘自动扶梯的密度很大，1号线站台楼扶梯密度很大。

4.2.2 重要换乘自动扶梯通行流率分析

6号线和1号线之间换乘的自动扶梯在高峰时段持续以通行能力运行，两部下行自动扶梯的使用率也比较高。

4.2.3 换乘时间统计图

该处换乘时间是从一站台的上行扶梯底端出发，到达另一站台的下行扶梯底端行程时间。6号线换1号线约为4min，1号线换6号线的时间约为5min。

5 初步结论和建议

5.1 初步结论

整体来说，在未来年高峰小时需求条件下：

（1）进出站闸机数量能够满足未来年预测客流的需求，未发现明显的由于闸机通行能力不足造成的乘客进出站延误；

（2）站台楼扶梯数量能够满足未来年预测客流的需求；

（3）换乘楼梯满足换乘客流的需求，换乘时间稳定。

5.2 方案调整的建议

地铁站仿真模拟带来的优化建议主要集中在以下几个方面：

建议一：扩大人行空间卡口

本例中建议去除通道接口区域的栏杆，扩大进入接口。

建议二：通道及通廊避免异形结构

换乘通道设计的过于曲折，造成局部区域行人拥堵，建议在结构允许的条件下，拉至部分通道。

建议三：合理均匀布设垂直设施

目前设计的垂直设施布置明显偏右，建议可以考虑扩大付费区的范围，并均匀合理布置垂直设计。

建议四：人流冲突点设置隔离分流设施

建议在换乘扶梯的底端放置可移动栏杆（可调节长度），分隔对向人流，保护下电梯的人流，避免冲突。

建议五：结合垂直设施及人流方向布设闸机

建议调整6号线站厅北边三组闸机，中间的闸机组为出站闸机，左右的闸机组为进站闸机，并结合闸机方向布置自动扶梯的上下行方向，以减少交织区域。

6 最终模型输出结果

6.1 最终测试设计介绍

根据初步的仿真成果对原设计方案进行了优化调整，在这一章节中将对优化方案中所采取的调整进行详细的分析。

6.2 最终早高峰小时模型

6.2.1 空间密度分析

图2 早高峰小时模型平均密度图

由图中可以看出，修改后的方案局部改善了拥挤情况，换乘通道上局部的最大密度有明显改善。并且进出流线更加清晰，减少了冲突点和交织区。

6.2.2 换乘时间统计图

修改方案的换乘时间稳定，6号线换1号线约为4min，1号线换乘6号线时间约为5min。没有出现明显的延误和排队。

7 结论

优化后的方案能够基本满足预测的未来年早高峰小时客流的使用要求，主要体现在下述方面：

（1）进出站闸机的数量能够满足客流需求，未发现明显的由于闸机服务能力不足而导致的延误；

（2）站台区域的客流密度，基本保持在合适的密度水平下；

（3）站内楼扶梯的通行能力能够满足远期早高峰小时客流需求；

（4）站厅区域的平均客流密度基本保持在合适的密度水平。

经过改善后的设计，优化了原有的局部冲突区域，早高峰运行良好，没有出现大面积的拥挤和排队，模拟显示有明显改善。

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