軌道交通樞紐建筑動(dòng)態(tài)客流模擬分析

邢家勇 馮世杰

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城交分院,300251,天津∥第一作者,工程師)

軌道交通樞紐建筑動(dòng)態(tài)客流模擬分析

邢家勇 馮世杰

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城交分院,300251,天津∥第一作者,工程師)

基于天津站交通樞紐和天津?yàn)I海新區(qū)于家堡站交通樞紐的建筑設(shè)計(jì)及其動(dòng)態(tài)客流仿真模擬的成果,對(duì)軌道交通樞紐建筑中的客流組織設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和研究。有針對(duì)性地提出了客流組織設(shè)計(jì)中存在的問題,并對(duì)解決問題的方法進(jìn)行了歸納總結(jié)。

軌道交通樞紐;客流組織;動(dòng)態(tài)客流模擬

First-author's addressUrban Rall Transit Design and Research Sub-institute of the 3rd Railway Survey&Design Institute,300251,Tianjin,China

隨著鐵路大發(fā)展時(shí)期的到來,城際鐵路、客運(yùn)專線等項(xiàng)目如雨后春筍般大量涌現(xiàn)。集鐵路、城際鐵路、城市軌道交通、道路公交、出租車、私家車等多種交通形式于一體的城市大型綜合交通樞紐,具有大體量、大空間以及大客流量等特點(diǎn),而其建筑功能設(shè)計(jì)則集中體現(xiàn)在大客流量和多種交通形式的換乘客流組織上。如何使客流組織具有便捷性、均勻性、通暢性、合理性和科學(xué)性,同時(shí)在突發(fā)情況下具有安全性,是當(dāng)前城市大型交通樞紐建筑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。

1 國內(nèi)軌道交通設(shè)計(jì)中存在的不足

目前,在我國城市的大型交通樞紐建設(shè)中,主要是通過對(duì)各種性質(zhì)客流的換乘目的進(jìn)行分析,依據(jù)規(guī)劃資料和相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求進(jìn)行簡化計(jì)算和設(shè)計(jì)。這種純理論和利用既有主觀經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法在一定程度上是滿足中小型軌道交通工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營需要的,但對(duì)于城市大型交通樞紐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)則存在以下不足:

(1)客流組織只停留在理論分析和簡化設(shè)計(jì)層面,對(duì)各種客流之間的相互干擾無法做出準(zhǔn)確的判斷,僅能通過各種客流所占比例,人為規(guī)定出疏導(dǎo)客流的優(yōu)先級(jí)別。

(2)對(duì)進(jìn)出站大廳、換乘大廳以及連接通道等公共交通空間的容裕性缺乏科學(xué)的量化依據(jù),使建成后的建筑空間要么局促、擁堵,要么造成浪費(fèi)。

(4)對(duì)樓扶梯等豎向交通工具的布設(shè)缺乏系統(tǒng)性連鎖反應(yīng)的判斷,往往某一處交通的不合理而造成整個(gè)豎向交通體系的崩潰。

(5)對(duì)售檢票等公共設(shè)施以及疏導(dǎo)客流的欄桿圍合區(qū)域的布置,采用純主觀的經(jīng)驗(yàn)判斷,造成乘客使用不暢,從而產(chǎn)生大面積的非正常擁堵。

2 動(dòng)態(tài)客流仿真模擬的原理及流程

針對(duì)傳統(tǒng)客流組織方式的不足,在設(shè)計(jì)領(lǐng)域出現(xiàn)了“動(dòng)態(tài)客流仿真模擬”這一輔助設(shè)計(jì)手段,通過仿真模擬,可以使建筑師如身臨其境般觀察各種客流流線,從而改善客流組織。本文對(duì)這種設(shè)計(jì)手段的運(yùn)行原理和流程進(jìn)行簡單介紹。

2.1 動(dòng)態(tài)客流仿真模擬的原理

進(jìn)行動(dòng)態(tài)客流模擬的空間是建立在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)基礎(chǔ)上的。功能布局決定了樞紐內(nèi)部客流組織形式。即:通常由建筑師初步確定各種客流的進(jìn)出站、換乘和疏散等流線及路徑,在此基礎(chǔ)上確定出模型的基本幾何框架。模擬中的每個(gè)個(gè)體在圖中顯示為一個(gè)色點(diǎn),采用各種空間物體圖例表示個(gè)體在空間內(nèi)的運(yùn)行及其路線信息。模擬模型應(yīng)用“最小阻礙”原理對(duì)行人的活動(dòng)進(jìn)行仿真,即每一步都是按對(duì)行人造成最小不便來進(jìn)行計(jì)算的。模擬通常采用“服務(wù)閾限等級(jí)”來表示擁堵的程度,通過不同的顏色來顯示行人的密度。每一個(gè)服務(wù)等級(jí)下的擁堵程度如表1所示。

表1 交通樞紐內(nèi)的服務(wù)閾限等級(jí)

通常情況下,服務(wù)水平C是高峰小時(shí)運(yùn)營情況的最低目標(biāo)。這就意味著在交通樞紐內(nèi)要盡量減少D級(jí)(含D級(jí))以下服務(wù)水平區(qū)域。

2.2 動(dòng)態(tài)客流模擬的流程

首先,對(duì)預(yù)測的客流數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理歸納,形成模型的需求數(shù)據(jù),包括模型區(qū)域內(nèi)行人的數(shù)量和類型、出發(fā)和到達(dá)的時(shí)刻,以及各種類型的行人在模型環(huán)境中起、終點(diǎn)情況等;同時(shí)對(duì)不同類型的行人的等候、行走和排隊(duì)等特征進(jìn)行分析,以便對(duì)仿真模型中和行人活動(dòng)有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的標(biāo)定。

其次,需要對(duì)乘客行程路線和流線、列車的運(yùn)行頻率、相關(guān)設(shè)備的服務(wù)能力(如自動(dòng)扶梯檢票口和閘機(jī)等)、旅客類型(具體如東方人群、歐美人群等的特性)、旅客購票行為、乘客候車及上下車的分布特點(diǎn)等進(jìn)行合理的設(shè)定;此外,對(duì)車站發(fā)生火情或其他緊急情況下的人流組織信息也需要進(jìn)行合理的設(shè)定。

祝國寺還是東川區(qū)的民族團(tuán)結(jié)進(jìn)步示范單位。東川是多民族聚居地，因此佛教也是很多民族群眾的信仰，其中布依族聚居社區(qū)就有兩個(gè)小廟，也在祝國寺的輻射帶動(dòng)下維持了良好的和諧局面。

最后,根據(jù)以上內(nèi)容模擬出各種客流的狀態(tài),并根據(jù)等級(jí)指標(biāo),利用模擬出的平均乘客密度、緊急疏散時(shí)間分析等對(duì)服務(wù)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)和績效衡量;進(jìn)而提出修改建議并結(jié)合修改后的方案進(jìn)行客流模擬及驗(yàn)證,比較改善前后的效率差,為修改后的方案提供理論支撐,達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

3 應(yīng)用實(shí)例

已建或在建的大型綜合交通樞紐如北京南站、天津站、天津西站、于家堡站、上海虹橋站等,其共同的特點(diǎn)是:涵蓋了高速鐵路、地鐵、道路公交、社會(huì)車輛停車場、出租車場等多種交通形式,以及配套服務(wù)、景觀等附加功能;客流量巨大,流線組織復(fù)雜。為提高客流組織設(shè)計(jì)的科學(xué)性,這些樞紐均采用了動(dòng)態(tài)客流仿真模擬的設(shè)計(jì)方法。本文結(jié)合天津站和于家堡站交通樞紐中采用動(dòng)態(tài)仿真客流模擬方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行分析、歸納和總結(jié),以期在今后相關(guān)工程設(shè)計(jì)中能提供一種科學(xué)合理的設(shè)計(jì)思路。

3.1 天津站大型交通樞紐工程

3.1.1 建筑方案設(shè)計(jì)

天津站是京津城際鐵路的重要樞紐之一,同時(shí)也是天津市公共交通網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。樞紐內(nèi)主要包括:京津城際鐵路,普速鐵路,天津地鐵2、3、9號(hào)線,3個(gè)社會(huì)場停車場,3個(gè)出租車停車場,2個(gè)道路公交中心等。建成后的天津站將成為包含地上二層、地下四層共約48萬m2的重要區(qū)域交通樞紐。其建筑方案詳見圖1、2所示。

圖1 天津站北廣場效果圖

在天津站交通樞紐方案設(shè)計(jì)初期,對(duì)城市軌道 交通中常見的客流組織問題均有涉及。特別是在3條地鐵線車站的進(jìn)出站客流、換乘客流,以及地鐵與其他交通方式換乘客流的組織方面,存在通過傳統(tǒng)分析方法無法解決的問題。

圖2 天津站北廣場平面示意

3.1.2 客流疏導(dǎo)的優(yōu)先級(jí)別

在設(shè)計(jì)初期,對(duì)于客流疏散,理論分析是客流量多的區(qū)域其疏散難度最大。但通過仿真模擬分析,發(fā)現(xiàn)實(shí)際情況與理論分析存在一定的差別。

交通樞紐地下三層在進(jìn)行最不利情況疏散模擬時(shí),首先對(duì)正常工況下地下各層人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)各個(gè)區(qū)域到達(dá)客流高峰的時(shí)間并不相同(如圖3)。人數(shù)最多的是區(qū)域一,約占總客流的44%;區(qū)域二內(nèi)乘客人數(shù)波動(dòng)較大,約占總客流的29%;區(qū)域三負(fù)擔(dān)乘客數(shù)量較低,約占總客流的18%;區(qū)域四只負(fù)擔(dān)地鐵9號(hào)線一個(gè)方向的下客,約占總客流的10%。

經(jīng)過仿真模擬分析,區(qū)域二承擔(dān)地鐵2號(hào)線一個(gè)方向的上、下客功能和地鐵9號(hào)線一個(gè)方向的下客功能,且只有3組通道和地下二層連接。雖然區(qū)域二的客流不是最大,但在模擬中發(fā)現(xiàn)該處確實(shí)存在較大的安全隱患。通過盡量增加樓扶梯的數(shù)量,在120 m長站臺(tái)范圍內(nèi)設(shè)置3組(包含2部扶梯和1部樓梯)豎向交通,最大程度地優(yōu)先提高該區(qū)域的客流疏導(dǎo)功能。

圖3 地下三層乘客統(tǒng)計(jì)區(qū)域劃分及乘客數(shù)量統(tǒng)計(jì)示意圖

3.1.3 空間的容裕性分析

在方案設(shè)計(jì)初期,對(duì)地下一層的建筑空間進(jìn)行了布置,主觀規(guī)劃了客流走向;后通過客流仿真模擬分析,看出乘客會(huì)選擇最短路徑至地鐵自動(dòng)扶梯。結(jié)合模擬情況深化設(shè)計(jì)后,對(duì)初期的建筑布局進(jìn)行了局部調(diào)整,擴(kuò)大了走廊周圍拐角可視范圍,使客流更加順暢;同時(shí)在客流利用率較低的區(qū)域布置了配套服務(wù)區(qū),充分、合理地利用了建筑空間(如圖4)。

3.1.4 對(duì)樓扶梯等垂直交通的分析

地下四層為地鐵3號(hào)線站臺(tái)層,最初設(shè)計(jì)在長120 m、寬16 m的島式站臺(tái)上,靠近兩端分別布置一組兩上一下和兩下一上各三部自動(dòng)扶梯,站臺(tái)中間布置一部樓梯。通過動(dòng)態(tài)客流模擬驗(yàn)證,該設(shè)計(jì)存在較突出的客流沖突問題:往來于地鐵3號(hào)線的乘客量巨大,下車乘客分別擁堵于兩組扶梯處等待乘上行扶梯離開站臺(tái),但短時(shí)間內(nèi)乘客無法全部疏導(dǎo),致使每組下行扶梯上的乘客無法離開扶梯,從而產(chǎn)生運(yùn)營安全隱患。(圖5的較深區(qū)域是客流擁堵的區(qū)域 ,下同。)

圖4 交織區(qū)平均密度分析圖

圖5 天津站地下四層3號(hào)線站臺(tái)初步方案模擬圖

根據(jù)以上模擬情況,對(duì)樓扶梯布置進(jìn)行了調(diào)整,將扶梯均勻分布到站臺(tái)上,且均為兩部扶梯中間夾一部樓梯的成組方式。從修改后方案的模擬情況來看,自動(dòng)扶梯周圍大面積的擁堵已不存在,且客流不再集中于站臺(tái)的某一區(qū)域,而是均勻分散到整個(gè)站臺(tái);3組樓扶梯的客流量分布也比較均勻,自動(dòng)扶梯口的上、下乘客之間的沖突已大為減小(如圖6)。

圖6 天津站地下四層3號(hào)線站臺(tái)調(diào)整方案模擬圖

3.1.5 公共設(shè)施布置分析

對(duì)地下二層平面布置進(jìn)行客流仿真模擬(見圖7)可以看出,通往地鐵的自動(dòng)扶梯、進(jìn)出站閘機(jī)等人員使用頻繁的公共設(shè)施處,都不同程度地出現(xiàn)了擁堵現(xiàn)象。

結(jié)合模擬中發(fā)現(xiàn)的問題,對(duì)原先的樓扶梯成組方式進(jìn)行了優(yōu)化,增加了進(jìn)出站閘機(jī)數(shù)量,并將公共大廳里的欄桿拐角進(jìn)行順滑布置。對(duì)調(diào)整方案進(jìn)行客流仿真模擬,可以看出情況已得到改善,調(diào)整方案極大地緩解了局部客流的擁堵(見圖8)。

圖7 天津站地下二層初步方案模擬圖

圖8 天津站地下二層調(diào)整方案模擬圖

3.2 京津城際延伸線于家堡站交通樞紐工程

該樞紐位于濱海新區(qū)的于家堡商務(wù)中心區(qū),是集城際鐵路、地鐵、道路公交、出租車和社會(huì)車輛等多種交通方式于一體的又一綜合性的交通樞紐,是國內(nèi)第一批正在建設(shè)中的地下鐵路站房樞紐。樞紐內(nèi)主要包括京津城際鐵路,地鐵 B1、B2、Z1線,社會(huì)場停車場,出租車停車場,公交中心和樞紐控制中心工程。建成后的于家堡站將成為包含地上一層、地下三層,總建筑面積約28萬m2的超大型地下交通樞紐(見圖9)。

圖9 于家堡站剖透視效果圖

借鑒天津站交通樞紐工程采用客流仿真模擬手段進(jìn)行設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn),在本工程建筑方案設(shè)計(jì)之初,即對(duì)可能出現(xiàn)的各種問題進(jìn)行了思考和研究,以避免雷同問題再次發(fā)生。從對(duì)首輪建筑方案進(jìn)行客流仿真模擬的結(jié)果看,除極少數(shù)因某些方案特殊性而產(chǎn)生的客流組織問題外,建筑最初方案及客流組織均較好地滿足了安全、便捷疏導(dǎo)客流的需要(見圖10)。

圖10 于家堡地下一層客流模擬密度及空間利用圖

4 結(jié) 語

雖然上述分析研究僅包括天津站和于家堡站交通樞紐客流仿真模擬中的一部分內(nèi)容,但卻基本可以涵蓋軌道交通樞紐客流組織設(shè)計(jì)的常見問題。在綜合交通樞紐建筑設(shè)計(jì)中,利用動(dòng)態(tài)客流仿真模擬這一手段是科學(xué)和合理的。

綜上所述,客流仿真模擬可在工程建設(shè)實(shí)施前通過“實(shí)時(shí)”動(dòng)態(tài)模擬,對(duì)建筑空間使用、客流分布密度、緊急疏散等進(jìn)行場景演示,并在驗(yàn)證建筑方案的合理性、充分利用建筑空間、優(yōu)化建筑功能布局和流線組織等方面具有實(shí)用價(jià)值。動(dòng)態(tài)客流仿真模擬將極大提升建筑師的設(shè)計(jì)理念和建筑細(xì)節(jié)把握能力。隨著城市的不斷發(fā)展以及服務(wù)水平的不斷提升,將形成越來越多的軌道交通網(wǎng)和交通樞紐,建設(shè)規(guī)模越來越大,建筑功能越來越復(fù)雜。在各種人流密集的建筑如機(jī)場、體育館、博物館、劇院、旅游景區(qū)等工程的設(shè)計(jì)中,均可以采用動(dòng)態(tài)客流仿真模擬,以完善建筑功能和客流組織設(shè)計(jì)。

[1]GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB 50490—2009城市軌道交通技術(shù)規(guī)范[S].

[3]GB 50016—2006建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[4]施仲衡.地下鐵道設(shè)計(jì)與施工[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1997.

[5]李小江.城市軌道交通技術(shù)規(guī)范實(shí)施指南[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[6]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院.天津站交通樞紐動(dòng)態(tài)客流模擬報(bào)告[R].天津:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院,2007.

[7]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院.天津于家堡火車站樞紐客流模擬報(bào)告[R].天津:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院,2010.

Simulation of Dynamic Passenger Flows in Rail Transit Terminal Construction

Xing Jiayong,Feng Shijie

Based on the architectural design and the results of the dynamic passenger flow simulation at Tianjin Railway Station transport hub and Yujiapustation hub of Tianjin Binhai New Area,this paper makes a research and analysis of the passenger flow organization in rail transit construction and presents some problems in passenger flow organization,discusses the methods of how to solve these problems.

rail transit terminal;passenger flow organization;dynamic passenger flow simulation

U 293.3

2010-08-04)