高密度開發(fā)區(qū)道路網(wǎng)等級配置研究

劉偉杰，吳金龍

（上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200125）

道路交通

高密度開發(fā)區(qū)道路網(wǎng)等級配置研究

劉偉杰，吳金龍

（上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200125）

以道路網(wǎng)周轉(zhuǎn)量最大和道路建設(shè)資金最小為出發(fā)點，通過對交通供需平衡、交叉口信控、公交站距、步行距離的綜合分析，建立高密度片區(qū)道路網(wǎng)等級配置模型，并結(jié)合上海市張江科技城核心區(qū)道路網(wǎng)具體實例，推算道路等級的最優(yōu)配置。其結(jié)果表明：張江科技城核心區(qū)最優(yōu)的等級配置為1∶2.1∶3.6∶9.8，片區(qū)對低等級道路需求較為旺盛。

高密度開發(fā)區(qū)；等級配置；供需平衡；交叉口信控；公交站距；步行距離

0 引言

《城市道路交通規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》（GB50220—1995）對城市的道路等級配置做了規(guī)定[1]，有效指導(dǎo)了我國城市道路網(wǎng)的建設(shè)，但對于具體片區(qū)的實際路網(wǎng)結(jié)構(gòu)及交通運行狀況，目前尚缺乏深入定量化的研究。片區(qū)路網(wǎng)是支撐片區(qū)發(fā)展的主骨架，對于高密度開發(fā)區(qū)，交通需求旺盛，土地資源緊張，合理的路網(wǎng)等級配置及定量化的路網(wǎng)密度分析顯得尤為重要。高密度開發(fā)區(qū)道路的建設(shè)量以及街區(qū)的開放量應(yīng)以滿足片區(qū)出行需求為前提，結(jié)合片區(qū)內(nèi)交叉口的信控實施、公交的最優(yōu)站距、步行的最優(yōu)距離進(jìn)行綜合分析，在提升綜合交通運輸效率的同時避免過度建設(shè)導(dǎo)致的市政費用增加、資源浪費等一系列社會問題。

1 片區(qū)道路網(wǎng)配置分析

1.1 道路交通需求分析

（1）需求分析公式

交通需求一般分為內(nèi)部交通需求、對外交通需求、過境交通需求三類。由于高密度開發(fā)區(qū)一般位于城市核心區(qū)內(nèi)部，片區(qū)位置和路網(wǎng)結(jié)構(gòu)都不適合為過境交通服務(wù)，因此過境交通可以不用考慮。

片區(qū)內(nèi)部交通需求為：式中：E為片區(qū)內(nèi)出行總量，人次/d；k為高峰小時系數(shù)；fi為第i種交通方式出行分擔(dān)比；li為第i種交通方式出行距離，km；μi為第i種交通方式車型換算系數(shù)，pcu/veh；ri為第i種交通方式車型平均實載，人/veh，通過交通調(diào)查獲得。

片區(qū)對外交通需求為：

式中：Wi為第i種交通方式日對外交通量，pcu·km/h；lWi為第i種交通方式對外交通出行在片區(qū)內(nèi)部距離。

（2）參數(shù)標(biāo)定

E、Wi、fi為交通預(yù)測數(shù)據(jù)，可結(jié)合具體片區(qū)的交通預(yù)測來確定。

ri、k為交通特征數(shù)據(jù)，可通過具體片區(qū)的交通調(diào)查來確定。

μi為第i種交通方式車型換算系數(shù)，各類交通方式車型換算系數(shù)見表1。

表1 內(nèi)部各交通方式典型車型的換算系數(shù)

1.2 道路交通供給分析

（1）供給分析公式

交通供給是指在一定的服務(wù)水平下，路網(wǎng)所能通過的最大車公里數(shù)。道路類別分為快速路、主干路、次干路、支路4類。由于城市快速路規(guī)劃建設(shè)是依據(jù)城市整體規(guī)模和用地確定的，片區(qū)路網(wǎng)是否擁有快速路具有不確定性，因此，本文對片區(qū)路網(wǎng)研究僅考慮主干路、次干路、支路建設(shè)，對于已有快速路的片區(qū)路網(wǎng)，快速路的需求供給單獨考慮。

片區(qū)路網(wǎng)總供給量：

式中：Ci為第i類道路單條車道通行能力，pcu/h；αi為第i類道路的平均飽和度；βi為第i類道路的交叉口折減系數(shù)；γi為第i類道路的車道綜合折減系數(shù)；Ni為第i類道路的平均車道數(shù)；Li為第i類道路的里程，km。

（2）參數(shù)標(biāo)定

Ci為第 i類道路單條車道通行能力，《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》（CJJ37—2012）對不同道路類型的單條車道通行能力表述見表2[2]。

表2 單條車道的可能通行能力

αi、Ni、Li為交通特征數(shù)據(jù)，可通過具體片區(qū)的交通調(diào)查來確定。

βi為第i類道路的交叉口折減系數(shù)，推薦的交叉口折減系數(shù)見表3[3]。

表3 交叉口折減系數(shù)

γi為第i類道路的車道綜合折減系數(shù)，這與行人過街折減系數(shù)、多車道折減系數(shù)、車道寬度折減系數(shù)等相關(guān)。鑒于本文是對城市道路等級的宏觀分析，推薦綜合折減系數(shù)取值見表4[3]。

表4 綜合折減系數(shù)

1.3 交叉口信控分析

（1）交叉口信控分析公式

片區(qū)路網(wǎng)中，機(jī)動車的出行效率主要體現(xiàn)在交叉口延誤的大小。干線綠波設(shè)計是降低交叉口延誤的有效方法之一。擴(kuò)大路網(wǎng)間距、增加道路車道，能一定程度地提高路段通行能力，但同時也增加了交叉口左右轉(zhuǎn)車輛比例[4]。干線綠波設(shè)計主要是保障直行車隊以最小延誤通過。當(dāng)轉(zhuǎn)向車輛增多，直行相位時間難以保障，干線綠波協(xié)調(diào)困難，主流量方向延誤增加，導(dǎo)致路網(wǎng)整體通行效率下降。美國學(xué)者推出了一個表達(dá)交通信號控制系統(tǒng)通車效益的“互聯(lián)指數(shù)”公式[5]：

式中：I為交叉口互聯(lián)指數(shù)，I值越高表明信號交叉口之間的協(xié)調(diào)性越好，綠波設(shè)計要求不低于0.35；X為來自上游交叉口車流的條數(shù)；q為來自上游交叉口的直行車交通量；Q為到達(dá)下游交叉口的交通量總和；T為車輛在兩相鄰信號交叉口間的平均行程時間，可用T=L街/V表示，L街為交叉口間距，即街區(qū)尺寸；V為機(jī)動車在路段的平均行駛速度。

結(jié)合相關(guān)研究[5]，交叉口左右轉(zhuǎn)比例可以表示為R左≈R右≈1/（1+L平均/L街），其中，L平均為平均出行距離，則“互聯(lián)指數(shù)”I可表示為：

由此可見，交叉口互聯(lián)系數(shù)與L街密切相關(guān)，合理控制街道尺寸能有效提高交叉口互聯(lián)系數(shù)。

（2）參數(shù)標(biāo)定

X為來自上游交叉口車流的條數(shù)，一般為2～4條，研究取3條；V、L平均為片區(qū)交通特征數(shù)據(jù)，通過具體片區(qū)的交通調(diào)查來確定。

1.4 公交站距分析

（1）公交站距分析公式

與社會車輛不同，公交車除了受路段流量及交叉口的影響外，還受?？空旧舷驴偷挠绊憽Ｓ捎谕Ｕ拘枨?，公交車到達(dá)交叉口時往往錯過了預(yù)留給社會車輛的最佳相位，導(dǎo)致公交車運行速度與社會車輛的運行速度差距拉大，公交優(yōu)先難以保障。

假設(shè)兩個交叉口之間設(shè)有一個公交站點，即公交站距與路網(wǎng)間距對應(yīng)，提高公交出行效率的有效措施是讓公交車?yán)眉t燈時間來完成停站上下客作業(yè)，到達(dá)交叉口時正好處于下一個綠燈相位，從而與交叉口的綠波帶保持一致。假設(shè)公交車與社會車輛在路段上正常行駛速度相同，則公交車進(jìn)出站、上下客以及車站延誤的總時間正好為信號周期的紅燈時間。

假設(shè)交叉口信號周期為T，公交車運行過程中僅在站臺及交叉口處存在加減速現(xiàn)象，則：

式中：t上下客為乘客上下客時間；t站誤為站點延誤時間；t加減速為路段中公交車進(jìn)出站加減速的時間；t速均為公交車勻速行駛時間；α為公交車通過交叉口的速度影響系數(shù)；V公為公交車在路段正常行駛車速；a為公交車啟動加速度；b為公交車制動加速度。

（2）參數(shù)標(biāo)定

a、b與公交車性能有關(guān)，分別取0.8m/s2和1.3m/s2；α與交叉口飽和度、交叉口之間的協(xié)調(diào)性有關(guān)，取0.4；t站誤主要為公交車在站臺開關(guān)門時間，取值為4s。由于本文是對片區(qū)路網(wǎng)的分析，t上下客、T均取片區(qū)內(nèi)的平均值，通過具體片區(qū)的交通調(diào)查來確定。

1.5 步行距離分析

（1）步行距離分析公式

本文分析的步行距離為居民從起點到公交站點的距離。要構(gòu)建完善的現(xiàn)代化公交體系，道路網(wǎng)也應(yīng)滿足相應(yīng)的通達(dá)需求，即要有足夠數(shù)量的道路使公交網(wǎng)達(dá)到一定的覆蓋率，也要有相應(yīng)的道路供居民選擇使步行距離縮短?！伴_放街區(qū)”貢獻(xiàn)出來的街坊道路主要是為公交及慢行出行服務(wù)，為構(gòu)建結(jié)構(gòu)合理的道路網(wǎng)絡(luò)提供了契機(jī)。

以方格網(wǎng)布局為例（見圖1），假設(shè)片區(qū)單元四周的干路都布設(shè)有公交線路，每個交叉口出入口都設(shè)有公交站點，在計算時，將公交站點的位置簡化到交叉口上，并假設(shè)片區(qū)單元中居民步行到其最近的站點候車。以站點A為例，將片區(qū)單元延虛線分為4份，陰影片區(qū)內(nèi)居民將使用站點A，則居民從起點到公交站點的平均距離從居民步行距離分析：l=tv，則方格路網(wǎng)道路中干路之間的距離L街=2tv。

其中，t為居民從起點到公交站點的平均步行時間，v為居民平均步行速度。

（2）參數(shù)標(biāo)定

t為居民從起點到公交站點的平均步行時間，按照公交都市建設(shè)要求，t不超過5min；v為居民平均步行速度，可取4km/h。

圖1 方格路網(wǎng)布局圖

2 片區(qū)道路網(wǎng)密度構(gòu)建

2.1 目標(biāo)函數(shù)

對于高密度開發(fā)區(qū)，從充分發(fā)揮片區(qū)道路功能的角度出發(fā)，片區(qū)道路網(wǎng)的建設(shè)目標(biāo)是能夠最大限度地滿足片區(qū)交通出行需求的，因此模型的首要優(yōu)化目標(biāo)是道路網(wǎng)總周轉(zhuǎn)量最大。從道路建設(shè)資金投入的角度看，以最小的資金投入滿足其規(guī)劃年的交通需求是比較經(jīng)濟(jì)的，所以模型的另一個優(yōu)化目標(biāo)是道路網(wǎng)的建設(shè)資金投入最小。目標(biāo)函數(shù)表示為：

式中：M為路網(wǎng)建設(shè)總投資；m1、m2、m3分別為主干路、次干路、支路單位長度的建設(shè)費用。

2.2 約束條件

（1）供需平衡條件

合理的道路交通規(guī)劃是維持交通供給與交通需求的平衡，按照5%的偏差計算，道路交通供給S與交通需求D之間的關(guān)系為：

（2）最優(yōu)交叉口信控條件

確保機(jī)動車在路網(wǎng)中運行效率，提升交叉口協(xié)調(diào)關(guān)聯(lián)度，交叉口互聯(lián)指數(shù)不低于0.35：

（3）最優(yōu)公交站距條件

提升公交車在路網(wǎng)中的運行效率，公交車輛利用信號燈紅燈時間完成上下客作業(yè)，到達(dá)交叉口時處于綠燈相位通過交叉口，且路網(wǎng)中公交運行速度不低于30km/h：

（4）最優(yōu)步行距離條件

按照公交都市建設(shè)要求，居民從起點到公交站點的平均步行時間不超過5min，即1/12h：

（5）道路用地面積控制條件

《城市道路交通規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》（GB50220—1995）中規(guī)定，人口超過200萬以上的大城市，道路面積應(yīng)占城市建設(shè)面積的15%～20%。

式中：S建為研究片區(qū)建設(shè)面積，km2；d快、d1、d2、d3分別為快速路、主干路、次干路、支路平均道路寬度。

（6）各等級道路里程“金字塔”結(jié)構(gòu)條件

城市道路在一定的等級結(jié)構(gòu)下，等級越高的道路，合計長度越短，表達(dá)式為：

（7）各等級道路周轉(zhuǎn)量的“倒三角”結(jié)構(gòu)條件

城市道路在一定的等級結(jié)構(gòu)下，滿足等級越高的道路其承載的周轉(zhuǎn)量越大，表達(dá)式為：

3 實例分析

張江科技城是上海市“十三五”規(guī)劃建設(shè)的重點示范片區(qū)，其中科技城核心區(qū)為高密度開發(fā)區(qū)，面積為18.9km2。下面以張江科技城核心區(qū)為研究對象進(jìn)行道路網(wǎng)密度分析。

張江科技城核心區(qū)交通高峰系數(shù)為0.13，根據(jù)交通需求預(yù)測，公交車出行次數(shù)為18.6萬人次/d，取公交車平均實載為30人/veh，則高峰小時流量為2418pcu/h，客車（含出租車）折算后的流量為15.2萬pcu/d，則高峰小時流量為19890pcu/h。區(qū)內(nèi)交通出行的平均出行距離取5km，對外交通在區(qū)內(nèi)的平均出行距離為3.5km。由此匡算得到的片區(qū)交通需求：

片區(qū)內(nèi)各等級道路的車道數(shù)分別為主干路6根、次干路4根、支路2根，高峰小時道路飽和度分別為0.75、0.6、0.6。張江片區(qū)現(xiàn)有快速路7.56km，飽和度為0.75，代入公式得到交通供給為：

張江片區(qū)居民平均出行距離為5km，則交叉口關(guān)聯(lián)度為：

片區(qū)內(nèi)部交叉口平均信號周期為120，平均上下客時間為25s，則公交運行速度為：

主干路、次干路、支路的寬度分別為40m、30m、20m，則道路面積占有率：

主干路、次干路、支路的建設(shè)費用分別為2000萬/km、1500萬/km、1000萬/km，則總建設(shè)費用：

張江科技城核心區(qū)道路網(wǎng)呈方格網(wǎng)布設(shè)，且分布較為均勻，則道路密度N可表示為：

綜上所述，路網(wǎng)密度模型為：

運用MATLAB軟件求解，最優(yōu)解L1=15.8296km，L2=27.1365km，L3=73.8715km。主干路、次干路、支路的路網(wǎng)密度分別為：1.05km/km2、2.1km/km2、4.9km/km2，等級配置為1∶1.7∶4.7。結(jié)合現(xiàn)有7.56km的快速路，路網(wǎng)等級配置為1∶2.1∶3.6∶9.8。計算結(jié)果與相關(guān)規(guī)范指標(biāo)基本吻合，其中支路比例相對較高，路網(wǎng)間距為302m。這與“窄馬路、密路網(wǎng)”的規(guī)劃理念相一致。

4 結(jié)論

在供需平衡前提下，模型加入了對交叉口信控、公交站距、步行距離的綜合分析，得到的路網(wǎng)等級配置為1∶2.1∶3.6∶9.8，與相關(guān)文獻(xiàn)中提到的1∶2∶3∶7基本相吻合。研究發(fā)現(xiàn)，高密度開發(fā)區(qū)對低等級道路的需求更為旺盛，這也驗證了高密度開發(fā)片區(qū)對交通可達(dá)性的要求較高。同時，與“開放街區(qū)”“窄馬路、密路網(wǎng)”規(guī)劃理論相對應(yīng)，低等級道路的加密，對優(yōu)化交叉口信控、公交站距、步行距離有積極作用。

[1]GB59220—1995,城市道路交通規(guī)劃設(shè)計規(guī)范[S].

[2]CJJ37—2012,城市道路工程設(shè)計規(guī)范[S].

[3]石飛.城市道路等級配置及布局方法研究[D].南京：東南大學(xué), 2006.

[4]陸建,王煒.城市道路網(wǎng)規(guī)劃指標(biāo)體系[J].交通運輸工程學(xué)報, 2004(4)：26-76.

[5]蔡軍.轉(zhuǎn)向比例與合理干路網(wǎng)密度研究[J].城市交通,2005,3(4)：54-58.

[6]陳雷進(jìn).基于供需平衡的高密度開發(fā)片區(qū)道路網(wǎng)密度研究[J].交通縱橫,2010,2(4)：133-137.

[7]王召森.規(guī)劃道路網(wǎng)密度指標(biāo)調(diào)整之思考[J].城市交通,2004(3)：46-48.

U491.1+3

：A

：1009-7716（2017）02-0001-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.02.001

2016-11-24

劉偉杰（1961-），男，上海人，教授級高級工程師，從事道路交通規(guī)劃設(shè)計工作。