基于“窄馬路密路網(wǎng)”布局理念的路網(wǎng)容量研究

張曉楠

(鄭州市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院 ， 鄭州 450052)

1 概述

根據(jù)《中國主要城市道路網(wǎng)密度檢測報告(2019年度)》[1]，2019年度我國主要城市214個行政區(qū)(縣)的路網(wǎng)密度平均值為6.3 km/km2，其中路網(wǎng)密度超過8 km/km2與10 km/km2的行政區(qū)(縣)占比分別為16%與3%. 由此可見，我國主要城市的道路布局大多數(shù)以“寬馬路、稀路網(wǎng)”為基本原則，由此引發(fā)交通擁堵、交通安全等諸多社會問題.

針對傳統(tǒng)“寬馬路、稀路網(wǎng)”的道路布局引起的社會問題，“窄馬路、密路網(wǎng)”成為我國城市規(guī)劃解決交通問題的新途徑. 2016年2月，中共中央國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》(以下簡稱《意見》)，《意見》提出要樹立“窄馬路、密路網(wǎng)”的道路布局理念. 2018年4月，中共中央、國務(wù)院對《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》(以下簡稱《綱要》)做出批復(fù)，綱要提出：起步區(qū)路網(wǎng)密度達(dá)到10～15 km/km2. 《意見》的發(fā)布、《綱要》的批復(fù)，表明無論是國家政策還是國家新區(qū)的建設(shè)，都在提倡“窄馬路、密路網(wǎng)”道路布局理念的實踐.

城市的路網(wǎng)容量無論在城市交通規(guī)劃、城市交通管理政策制定等方面都是重要的決策變量. 研究“窄馬路、密路網(wǎng)”道路布局理念的路網(wǎng)容量，尋找其計算方法，對于更加精確的獲取路網(wǎng)承載數(shù)據(jù)，為交通規(guī)劃、交通政策制定、交通管理等提供重要的決策支持.

路網(wǎng)容量研究最早開始于20世紀(jì)50年代，經(jīng)過Ford等[2-5]交通學(xué)者的長期研究，包括割集法、時空消耗法等多種路網(wǎng)容量模型先后被提出. 我國對于城市道路路網(wǎng)容量的研究開始于20世紀(jì)80年代，大多是基于國外的研究成果，針對我國國情和具體情況，對模型加以改進(jìn). 我國學(xué)者的早期研究成果中，關(guān)忠和[6]利用“時空消耗法”的理論，研究我國城市道路路網(wǎng)容量，提出了道路占有率的概念. 陳春妹[7]提出城市路網(wǎng)的時間特性，并給出了路網(wǎng)容量的研究周期. 章錫俏等[8-11]諸多學(xué)者從時空資源利用、路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、通行能力等角度，分別研究了特定情形下的路網(wǎng)容量. 由于現(xiàn)有研究成果多停留在理論層面，模型實用性不高，對“窄馬路、密路網(wǎng)”道路布局理念下的路網(wǎng)特性考慮不夠全面.

本文針對目前國內(nèi)“窄馬路、密路網(wǎng)”的道路布局趨勢，對該布局理念下的路網(wǎng)容量模型進(jìn)行研究. 以時空消耗理論為基礎(chǔ)，分析在窄路密網(wǎng)條件下路網(wǎng)參數(shù)的變化情況，并對路網(wǎng)容量模型進(jìn)行修正，構(gòu)建窄路密網(wǎng)下的城市道路路網(wǎng)容量模型.

2 相關(guān)概念

根據(jù)技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)城市規(guī)劃經(jīng)驗，定義“窄馬路、密路網(wǎng)”道路布局理念下有關(guān)指標(biāo).

路網(wǎng)密度：根據(jù)《規(guī)范》中道路等級的劃分，將窄路密網(wǎng)道路布局理念下的道路分為干道與支路，其中干道包括快速路、主干路、次干路. 在窄路密網(wǎng)道路布局理念下，干道路網(wǎng)的路網(wǎng)密度一般為(4～5) km/km2，支路路網(wǎng)的路網(wǎng)密度一般不小于6 km/km2，因此，本文中將窄路密網(wǎng)條件下的路網(wǎng)密度最小值定為10 km/km2.

路網(wǎng)級配：根據(jù)《規(guī)范》，道路等級越高、其相應(yīng)等級的路網(wǎng)密度越低，路網(wǎng)級配呈金字塔狀分布. 根據(jù)《規(guī)范》以及相關(guān)城市規(guī)劃經(jīng)驗，窄路密網(wǎng)布局理念下各等級道路的級配按照快速路、主干路、次干路、支路的順序排列為1∶2∶3∶7.

道路寬度：干道包括快速路與主次干路，以雙向四車道及以上為主，因此干道道路寬度為24～50 m；支路為雙向兩車道或單行道道路，其寬度為10～20 m之間.

3 路網(wǎng)容量模型

3.1 時空消耗理論

在城市路網(wǎng)中，小汽車行駛時需要消耗城市路網(wǎng)的時間與空間資源，在城市交通規(guī)劃、城市交通管理等實踐中，都以小汽車行駛時的時間或空間資源管理為突破點(diǎn)，尋找解決交通問題的新途徑. 城市道路的空間資源從廣義上來講為城市道路紅線內(nèi)的面積總和，由于目前交通問題的產(chǎn)生基本來源于小汽車交通，因此，對于小汽車來講，道路的空間資源為城市路網(wǎng)中機(jī)動車道的總面積. 城市路網(wǎng)的時間資源一般來說為城市路網(wǎng)的通行時間.

在“時空消耗”理論中，路網(wǎng)容量反映了城市路網(wǎng)時間與空間總資源與居民出行消耗時間與空間資源的關(guān)系. 因此，路網(wǎng)容量是路網(wǎng)的時間與空間總資源與居民單次出行消耗資源的比值. 本文以該理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建路網(wǎng)容量的理論模型：

(1)

式中，C為路網(wǎng)容量；CR為城市路網(wǎng)提供的時空總資源；CP為居民出行平均消耗的時空資源；L為路網(wǎng)運(yùn)營長度；T為路網(wǎng)運(yùn)營時間；D為道路運(yùn)營寬度；lC為小汽車行駛時所需要的道路長度；d為小汽車行駛時所需要的道路寬度；t為平均出行時間；h為研究時段內(nèi)道路上車輛的車頭間距；k為機(jī)動車道的車輛密度；l為居民的平均出行距離；v為機(jī)動車行駛速度.

時空消耗法理論模型中，參數(shù)k(1條機(jī)動車道上的機(jī)動車交通密度)、v(機(jī)動車行駛速度)、l(居民平均1次出行距離)可通過城市綜合交通調(diào)查中獲取，視城市情況而定.其余參數(shù)都需要獨(dú)立建模求解，下面對模型中的參數(shù)進(jìn)行建模.

3.2 城市路網(wǎng)中道路的運(yùn)營長度(L)

“窄馬路、密路網(wǎng)”道路布局理念下，城市機(jī)動車道的有效運(yùn)營長度為機(jī)動車總長度減去交叉口范圍內(nèi)機(jī)動車道長度.路段與交叉口構(gòu)成路網(wǎng)的基本組成單元，如圖1所示.快速路與低等級道路相交時，一般采用立體交叉，在交叉口處基本不會產(chǎn)生延誤，因此，對于快速路，其有效運(yùn)營長度等于快速路的長度.

圖1 路網(wǎng)組成基本單元

(2)

Li=1 000ρSαiFLi

(3)

(4)

式中，L為城市路網(wǎng)中道路運(yùn)營總長度；i為城市道路的等級；Li為城市道路中道路等級i運(yùn)營長度；αi為城市道路中道路等級i的比例；ρ為城市道路網(wǎng)密度；S為路網(wǎng)區(qū)域面積；FLi為運(yùn)營長度系數(shù)；LDij為城市道路中等級i道路與第j條道路相交的道路紅線寬度；mi為與城市道路中等級i道路的交叉口數(shù)量.

3.3 城市路網(wǎng)中道路的運(yùn)營寬度(D)與小汽車行駛時所需要的道路寬度(d)

根據(jù)《城市道路交通規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》(GB50220—95)，城市主干路及以下道路設(shè)計速度均不超過60 km/h，快速路設(shè)計速度最高一般為80 km/h，小汽車在行駛過程中所需要的橫向安全距離一般在3.25 m范圍內(nèi)，大型車所需要的橫向安全距離在3.5 m范圍內(nèi).

在小汽車行駛過程中，其所需要的橫向?qū)挾纫话阍?條車道的寬度范圍內(nèi)，當(dāng)1條車道被1輛小汽車占用，雖然該小汽車沒有將車道的橫向距離全部占用，但是其剩余的距離不滿足另一輛小汽車的通行. 因此，無論車道數(shù)是幾條，單車行駛所需要的橫向?qū)挾葹?條車道的寬度. 道路有效寬度為車道寬與車道數(shù)乘積. 因此，道路的有效空間資源可用道路的有效營運(yùn)長度與道路有效寬度的乘積表示.

3.4 城市路網(wǎng)中道路的運(yùn)營時間(T)

本文以高峰小時為研究時段. 城市路網(wǎng)中道路的運(yùn)營時間為研究時段減去路網(wǎng)延誤時間. 其中，路網(wǎng)延誤時間為車輛在交叉口行駛時，由于車輛排隊、等候、起步停車等造成的延誤. 由于快速路不受交叉口的影響，因此，快速路的運(yùn)營時間比例為1. 路網(wǎng)運(yùn)營時間用FT表示，則路網(wǎng)運(yùn)營時間可表示為式(5)～(7)：

T=FTTO

(5)

(6)

(7)

式中，F(xiàn)Ti為城市路網(wǎng)運(yùn)營時間比例；TO為研究時段，本文以高峰小時為研究時段，因此本文3 600 s；lt為交叉口間距；vi為車輛在等級i道路路段的車速；a，b分別表示汽車在起步與停車時的加速度；Δi為汽車在路網(wǎng)交叉口的平均等候時間.

3.5 模型參數(shù)修正

3.5.1 交叉口交通組織方式的修正

將交叉口的交通組織方式分為3類，包括雙向與雙向交叉、雙向與單向交叉、單向與單向交叉.相比于雙向道路交叉口的交通組織，單向道路的交叉口交通組織更為簡單，沖突點(diǎn)更少，交通效率更高.在窄路密網(wǎng)的道路布局理念下，路網(wǎng)的形態(tài)將更有利于單向交通組織，因此路網(wǎng)的沖突點(diǎn)將減少.本文以交通組織修正系數(shù)的形式對路網(wǎng)容量模型進(jìn)行修正.交通組織修正系數(shù)可表示為式(8)(9)：

(8)

(9)

式中，fa為交通組織修正系數(shù)；γi為城市路網(wǎng)中i類交叉口交通組織方式?jīng)_突點(diǎn)的降低率；qi為城市路網(wǎng)中i類交叉口交通組織方式的數(shù)量；pi為城市路網(wǎng)中i類交叉口交通組織方式?jīng)_突點(diǎn)總數(shù)；po為雙向與雙向交叉時沖突點(diǎn)總數(shù)；q為交叉口總數(shù).

3.5.2 橫斷面形式的修正

道路橫斷面在窄路密網(wǎng)理念下與寬馬路希路網(wǎng)相比將發(fā)生較大變化.支路的數(shù)量將大幅增加，因此道路橫斷面的變化對容量的影響不容忽略.本文以交通橫斷面修正系數(shù)的形式對路網(wǎng)容量模型進(jìn)行修正.

4塊板的道路橫斷面中，由于機(jī)動車道與非機(jī)動車道、機(jī)動車道與對向車道都采用物理隔離的方式，因此，在4塊板的道路橫斷面中，汽車行駛時既不受非機(jī)動車與行人的影響，也不會受對向車道車輛的影響.因此，在4塊板的道路橫斷面中，橫斷面形式的修正系數(shù)：

fb1=1

(10)

3塊板的城市道路橫斷面中，機(jī)動車道與非機(jī)動車道采用物理隔離的形式，但是對向車道沒有采取物理隔離.機(jī)動車在行駛過程中不受非機(jī)動車與行人的干擾，但是受對向車輛的干擾，因此，3塊板道路橫斷面的修正系數(shù)為：

fb2=a+bQ

(11)

2塊板的道路橫斷面中，對向車輛采取物理隔離，機(jī)動車與非機(jī)動車道沒有采取隔離.車輛在行駛過程中會受非機(jī)動車與行人的干擾，但是不會受對向車輛的干擾.因此，兩塊板道路橫斷面的修正系數(shù)為：

fb3=c+dX

(12)

1塊板的道路橫斷面中，機(jī)動車與非機(jī)動車道、對向車道均沒有采取物理隔離，因此車輛在行駛過程中，既會受非機(jī)動車與行人的干擾，也會受對向車輛的干擾.因此，其修正系數(shù)為：

fb4=e+fX+gQ

(13)

根據(jù)各橫斷面形式中路段的數(shù)量，基于各橫斷面形式的修正系數(shù)，構(gòu)建窄路密網(wǎng)條件下修正系數(shù)模型：

(14)

式中，fb為橫斷面修正系數(shù)；lbj為橫斷面j的路段長度；Q為對向機(jī)動車道的機(jī)動車流量；X為非機(jī)動車流量.

3.5.3 交通需求與路網(wǎng)供給的匹配度修正

以交通需求與路網(wǎng)供給的匹配度作為修正系數(shù)對路網(wǎng)容量模型進(jìn)行修正：

(15)

(16)

(17)

式中，βi為路段i的飽和度；βo為城市路網(wǎng)的平均飽和度；li為路段i長度；Vi為路段i交通量；δi為道路設(shè)計水平；COi為路段i的可能通行能力；在實際應(yīng)用過程中，如沒有具體交通數(shù)據(jù)時，fc一般取經(jīng)驗值0.7～0.9.

3.6 路網(wǎng)容量修正模型

根據(jù)對時空消耗模型參數(shù)中城市路網(wǎng)中道路的運(yùn)營長度(L)、城市路網(wǎng)中道路的運(yùn)營寬度(D)與小汽車行駛時所需要的道路寬度(d)、城市路網(wǎng)中道路的運(yùn)營時間(T)以及交叉口交通組織方式的修正、橫斷面形式的修正、交通需求與路網(wǎng)供給的匹配度修正的討論，得到窄路密網(wǎng)布局理念下，城市道路路網(wǎng)容量的修正模型.

(18)

圖2 “寬路稀網(wǎng)”與“窄路密網(wǎng)”路網(wǎng)布局

4 模型驗證

本文以1 km×1.2 km的方格路網(wǎng)為案例. 按照 “窄馬路、密路網(wǎng)”布局理念下的路網(wǎng)容量模型計算2種路網(wǎng)布局的路網(wǎng)容量. 對比路網(wǎng)加密前后的路網(wǎng)容量，在路網(wǎng)相同服務(wù)水平下，寬路稀網(wǎng)的路網(wǎng)密度由4.5 km/km2增加到窄路密網(wǎng)的12.8 km/km2，路網(wǎng)密度增加2.84倍，而路網(wǎng)容量由2 378 pcu/h提升至4 344 pcu/h，提升83%. 由2種路網(wǎng)布局下的路網(wǎng)容量結(jié)論對比發(fā)現(xiàn)，窄路密網(wǎng)的道路布局有助于路網(wǎng)容量的提升，但是路網(wǎng)容量的增加與路網(wǎng)密度的增加并不呈線性關(guān)系.

對于上述結(jié)論計算過程，部分模型參數(shù)的對比如表1所示：

表1 加密路網(wǎng)前后參數(shù)對比

通過對表1進(jìn)行分析，路網(wǎng)容量的參數(shù)變化如下：

1)由于路網(wǎng)密度的增加，交叉口間距減少，由于交叉口行程的交通延誤增加，導(dǎo)致路網(wǎng)的平均運(yùn)營時間比例降低，平均出行時間增加.

2)由于路網(wǎng)采取更多的單向交通組織，交通沖突點(diǎn)減少，因此交叉口交通組織的修正系數(shù)增加.

3)由于支路規(guī)模的增加，車輛行駛受行人、非機(jī)動車以及對向車輛的干擾增加，道路橫斷面形式的修正系數(shù)降低.

4)由于窄路密網(wǎng)擁有更均勻的路網(wǎng)分布，交通需求與路網(wǎng)供給的匹配度更好，因此交通需求與路網(wǎng)供給的匹配度修正系數(shù)增加.

5 結(jié)論

以“窄馬路、密路網(wǎng)”布局理念下的路網(wǎng)容量為研究對象，根據(jù)“窄馬路、密路網(wǎng)”的路網(wǎng)特征，對路網(wǎng)密度、路網(wǎng)級配、道路間距進(jìn)行了梳理研究. 以時空消耗理論模型為基礎(chǔ)，對模型中的4個參數(shù)包括城市路網(wǎng)中道路的運(yùn)營長度(L)、城市路網(wǎng)中道路的運(yùn)營寬度(D)、小汽車行駛時所需要的道路寬度(d)、城市路網(wǎng)中道路的運(yùn)營時間(T)進(jìn)行詳細(xì)分析. 此外，針對窄路密網(wǎng)道路布局，對時空消耗理論模型進(jìn)行模型修正分析，共進(jìn)行3次修正，包括交叉口交通組織方式的修正、橫斷面形式的修正、交通需求與路網(wǎng)供給的匹配度修正，并建立了各修正系數(shù)的計算模型. 基于上述分析，論文構(gòu)建了窄路密網(wǎng)道路布局理念下的城市路網(wǎng)容量模型.

論文以一個1 km×1.2 km的方格路網(wǎng)為案例，分別對路網(wǎng)加密前后進(jìn)行路網(wǎng)容量計算分析，對比研究路網(wǎng)加密前后路網(wǎng)容量與計算參數(shù)的變化，研究發(fā)現(xiàn)，窄路密網(wǎng)有助于提升路網(wǎng)的容量. 在本案例中，每平方公里的城市土地上，道路密度每增加1 km，路網(wǎng)容量增加237 pcu/h.