城市轨道交通车站出入口布局规划方法

邹江源 叶霞飞

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司，510030，广州；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，201804，上海；3.上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室，201804，上海//第一作者，工程师)

城市轨道交通车站承担着集散客流的任务，作为城市轨道交通系统与外部城市空间之间的纽带，车站出入口与周边步行设施构成的慢行接驳系统的规划设计显得尤为重要。目前，我国城市轨道交通车站出入口的研究成果主要集中在建筑结构、防火防灾、景观设计、微观行人交通流特性以及接驳交通设施衔接等5个方面。针对车站出入口布局方法的研究尚处于探索阶段，目前大多以依靠经验提出宏观原则[1]，或结合现有工程案例总结设计经验[2]为主。文献[3-4]研究了乘客对不同类型车站出入口的选择偏好。本文提出以降低社会总成本为目标的城市轨道交通车站出入口规划布局方法，旨在为城市轨道交通车站出入口规划布局工作提供技术和理论支撑。

1 东京轨道交通车站出入口设置情况调查

以2015年东京14条城市轨道交通线路(含1条支线)全部运营车站，以及部分与城市轨道交通车站关联的车站，如JR东日本运营的车站和私铁线路车站，共计232座(其中城市轨道交通车站为218座)为研究对象，对其出入口数量、最长出入口通道长度及其与周边建筑的衔接关系等进行了调查。

1.1 东京轨道交通车站的出入口数量分布

按照车站涉及的出入口数量对车站进行分组，对比东京被调查的218座城市轨道交通车站与上海轨道交通288座车站的出入口数量，结果如表1所示。由表1可知，上海各类车站出入口数量普遍少于东京同类车站，但出入口少于5个的车站比例却远高于东京的56.42%，为85.42%。

表1 上海、东京城市轨道交通车站不同出入口数量对应的车站比例

1.2 东京轨道交通车站出入口分布范围

东京218个城市轨道交通车站样本中，187座车站建有出入口通道。根据统计结果，34座拥有单个出入口通道且其长度超过100 m的车站，占有出入口通道车站数量的18.2%；6座拥有单个出入口通道且其长度超过200 m的车站，占有出入口通道车站数量的3.2%；全线网最长的出入口通道长度为461 m。

2 城市轨道交通车站出入口布局规划模型

本文建立以降低社会总成本为目标的城市轨道交通规划布局方案的搜索模型。

2.1 确定车站出入口布局的基准方案

本文以满足进出站及防灾等最低要求的出入口设施作为基准方案，并以此为基础向车站周边搜索合理方案。

2.2 确定车站出入口的备选结点

在车站周边一定范围内确定出入口的备选结点，以备选结点构建车站出入口布局规划搜索算法的搜索对象集合。根据对东京轨道交通车站的调查结果可知，出入口通道长度一般不超过500～600 m，因此可在车站主体建筑外廓外延500～600 m的范围内寻找出入口的备选位置。车站周边出入口的备选开口位置如表 2所示。

将较临近的几个车站出入口备选位置合并为一个备选结点，形成搜索方法的待搜索结点集合。以备选路径和备选结点构建出入口布局网络，并以备选结点作为出入口规划方案搜索算法的搜索对象。

表2 城市轨道交通车站出入口规划备选位置

2.3 确定备选结点到车站可修建通道的有效路径

备选结点和车站间可修建通道的有效路径应满足以下约束条件。

2.3.1 路径长度

车站出入口通道不会无限制向周边延伸。基于对东京轨道交通车站的调查结果，建议城市核心区、城市副中心、城市其他建成区的出入口通道长度阈值分别取450 m、350 m、200 m。

2.3.2 路径非直线系数

车站出入口通道的有效路径应顺直且延伸方向合理，通过限制路径的非直线系数以排除无效路径。在方格网状结构中，两点间合理路径非直线系数一般不超过1.5。

2.3.3 路径分叉次数

在地道与天桥形成的步行网络中，若路径分叉次数过多，会在乘客使用、运营管理上带来困难。因此，在出入口搜索网络上的路径分叉次数不宜过多。

2.3.4 车站出入口布局合理方案的搜索算法

采用C# 语言，以确定的出入口备选结点建立车站出入口布局方案的待搜索结点集合，结合待搜索结点与车站间的有效路径集合，判定备选结点是否应设置出入口。出入口与车站间修建通道的路径的具体搜索流程如下：

1)步骤1：确定搜索基准方案，以车站无向外延伸出入口，仅在车站主体临近位置建设出入口的方案为搜索的基准方案，计算基准方案的社会总成本，记为CA,0。

2)步骤2：假设车站研究范围内有n个已知结点，按照结点和车站间最短路径距离由长到短对n个结点进行排序，记为J1,J2,J3,…,Jn。此时备选集合记为Q，Q=(J1,J2,J3,…,Jn)。合理方案由结点集合P和路径集合W两个集合组成，此时集合P和W为空。

3)步骤3：从J1开始进行搜索，每次搜索选取备选集合Q中的到达车站最短路径中距离最大的结点作为当次搜索的结点。假设第i次搜索的结点为Ji，Ji与车站间满足约束条件的有效路径有k条，分别记为SJi,1,SJi,2,…，SJi,k，分别计算SJi,1,SJi,2,…，SJi,k修建出入口和通道时对应的社会总成本。

4)步骤4：选取社会总成本计算值最小的路径，假设SJi,min为结点Ji的备选路径，SJi,min途径的结点离车站的距离由远到近依次为Ji,Ji，1,Ji，2，…,Ji，n，假设第i-1次搜索后合理方案结点集合为Pi-1，则(Ji,Ji，1,Ji，2，…,Ji，n)∪Pi-1为当次搜索的待搜索集合。假设i-1次搜索后确定合理方案Pi-1对应的社会成本为CA,i-1，在此方案的基础上增加结点Ji和车站间路径SJi,min修建通道后的新方案(Ji,Ji,1,Ji,2,…,Ji,n)∪Pi-1的社会成本为CA,i。若CA,i>CA,i-1，则将结点Ji从备选集合Q中删除，重置Pi=Pi-1，CA,i=CA,i-1，从步骤3开始进行下一次搜索；若CA,i≤CA,i-1，执行步骤5。

5)步骤5:通过结点集合X对路径SJi,min上的结点进行判定，初始X为空。假设路径SJi,min途经的结点距车站由远到近依次为Ji,Ji，1,Ji,2,…,Ji,n，则按照Ji到Ji,n的顺序对路径SJi,min上的结点依次进行判定。假设被判定结点为Jβ，将路径SJi,min中距Jβ距离车站更近的结点进行组合，建立近端比较集合Y。计算方案X∪{Jβ}∪Y∪Pi-1和X∪Y∪Pi-1的社会成本分别为CA(X∪{Jβ}∪Y∪Pi-1)和CA(X∪Y∪Pi-1)。若CA(X∪{Jβ}∪Y∪Pi-1)≤CA(X∪Y∪Pi-1)，则通过结点集合X修改路径判定，令X=X∪{Jβ}，修改后开始判定路径SJi,min中Jβ的后一个结点；若CA{X∪{Jβ}∪Y∪Pi-1)>CA(X∪Y∪Pi-1)，则X保持不变，继续判定路径SJi,min中Jβ的后一个结点,直到路径SJi,min上的所有结点判定完成，最终通过结点集合X得到最终的路径判定。

6)步骤6:取X∪Pi-1为第i次搜索后新的合理方案结点集合Pi，取Pi的社会总成本为CA,i，取Q-(Ji,Ji,1,Ji,2,…,Ji,n)为第i次搜索结束后新的备选集合A。

7)步骤7:若步骤6结束后，备选集合Q不为空，则从Q中选择距离车站路径最长的结点，并以此开始，重复步骤3及其后续步骤；若Q为空，则搜索结束。假设第i-1次搜索已完成，经i-1次搜索后确定可建设方案对应的社会成本为CA,i-1，此时进行第i次搜索，被搜索方案对应的社会成本为CA,i，第i次搜索的方案必须满足CA,i≤CA,i-1才能作为可建设方案。

受车站出入口设施影响的社会成本包括建设成本、运营成本、交通成本和其他成本，各成本指标项的量化方法可参考文献[5]。

3 算例验证

3.1 对象车站的基本情况

以上海某两线轨道交通换乘站为计算对象，其中车站主体为一座高架车站、一座地下车站，两者通过换乘通道连接。地下车站于2009年年底开通运营，高架车站于2000年年底开通运营。该算例以对象车站的现状方案为基准，寻找以地下车站为主体，搜索向车站西北方向延伸出入口的合理方案。对象车站西北方向可能受步行接驳影响交通小区分布，如图1所示。对象车站运营期各交通小区的步行接驳人数，如表3表示。

图1 对象车站出入口布置现状及西北方向可能受步行接驳影响的交通小区分布情况

3.2 计算参数与假设

假设地下车站出入口设施的建设年为2009年，2010年为地下车站运营期第一年，取30年运营期为计算期，社会折现率取6%。

假设地下车站出入口地下通道不穿越既有建筑物，采用明挖法施工，围护结构采用SMW(劲性水泥土搅拌桩)。地下通道覆土厚度为3 m，内部净高为4 m，顶板、底板和侧墙厚度均为600 mm。人行地道宽度的设计能力取值为1 380人/(m·h)，通道设计宽度计算值不足3.75 m的取3.75 m。车站土建设施年维修费率取0.01，其他设备维修费率取0.02，单位面积能耗强度为108 kWh/(m2·a)。

表3 对象车站运营期各交通小区的步行接驳人数

根据2010年上海市居民收入水平，取2010年高峰小时乘坐轨道交通出行者的时间价值为21.3元/(人次·h)，非高峰时段为4.8元/(人次·h)，乘坐小汽车的出行者的高峰小时时间价值为37元/(人次·h)，单位时间价值年增速取6%。机动车车均载客人数取2人/车；车辆百公里油耗取8 L，汽油价格为5.88元/L。假设每日车站进出站早晚高峰各为2 h，非高峰时段为12 h，周边道路交通每日高峰时长为5 h。车站周边各小区的进出站接驳量不随出入口方案发生改变。因本算例出入口只考虑向车站西北方向的延伸方案，因此可只计算此区域内步行进出站乘客的接驳时间成本。算例不改动原有的平面过街基础设施和管理方式。因缺乏针对微观交通环境交通安全成本的准确预测方法，故算例中不计算交通安全成本这一指标项。

3.3 确定备选结点

对象车站周边以住宅小区为主，在车站西北方向500 m范围内选取了出入口备选位置，将备选位置合并为备选结点,分别记为1号—5号结点，并以0号结点代表地下车站的位置，如图2所示。

3.4 接驳数据录入及结果输出

根据车站附近既有步行设施和待搜索的出入口结点位置，计算各交通小区进出站的可能接驳路径的各项属性，如接驳时间、接驳人数等，将其录入计算程序，然后运行程序，最后输出推荐方案。经计算，需新增6个出入口，如图3所示。

图2 备选结点位置

图3 对象车站出入口布局的推荐方案总图

现状方案和推荐方案的成本净现值结果数据如表4所示。由表4可知，推荐方案相比基准方案，节省了3 081.71万元的交通成本，推荐方案在计算期内的社会成本净现值为34 720.29万元，低于车站基准方案的社会成本净现值35 410.9万元，由此可知推荐方案达到了社会成本降低的目标。

表4 现状方案和推荐方案的成本净现值总和对比表 万元

4 结论

本文围绕城市轨道交通车站出入口布局规划方法开展了研究，主要成果包括以下方面：

1)通过对比东京与上海城市轨道交通车站出入口数量发现，上海轨道交通各类车站出入口数量显著少于东京同类车站，上海轨道交通车站出入口少于5个的车站比例为85.42%，远高于东京同类车站比例(56.42%)。

2)东京被调查的城市轨道交通车站中，34个车站拥有长度超过100 m的单个出入口通道，占建有出入口通道车站总数的18.2%，通道长度上限为461 m。

3)以降低社会总成本为目标，构建了基于一定约束条件的城市轨道交通车站出入口规划布局合理方案的搜索模型，并转化为计算机程序，通过算例说明了本模型的可行性。