城市軌道交通節(jié)點換乘車站換乘設計難點分析及其應對措施

張 瑾

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司， 510010， 廣州∥高級工程師)

按照城市軌道交通兩條換乘線路間的結構關系，城市軌道交通換乘車站可分為平行換乘車站與非平行換乘車站，其中的非平行換乘車站因兩條線路需在某一交通節(jié)點上實現(xiàn)換乘功能，故又被稱為節(jié)點換乘車站。常見的城市軌道交通節(jié)點換乘站站型主要包括“T”型、“十”字型和“L”型結構3種。節(jié)點換乘車站因其具有適用性廣、換乘距離短、設計靈活等特征在各大城市軌道交通線網(wǎng)中被廣泛采用。以往的工程設計嘗試了采用不同的設計手法來提高其換乘的便捷性及舒適性，但實際運營中仍普遍存在換乘路徑選擇不均衡、客流交織嚴重，候車乘客與站臺流動區(qū)乘客間干擾嚴重等問題。

文獻[1-2]對節(jié)點換乘站的擁堵點及影響因素進行了分析。文獻[3]分析了城市軌道交通車站乘客的行動特征及各關鍵節(jié)點密度、速度、流量三者之間的關系。文獻[4-6]對站臺乘客分布與聚集趨勢進行了研究與分析。文獻[7-8]分析了節(jié)點型換乘站乘客的行為特征，并對客流組織進行了仿真研究。上述研究均針對節(jié)點換乘站的局部問題進行了詳細研究與具體論述，本文在這些研究的基礎上，對乘客行為進行實地調查分析，將乘客行為與現(xiàn)有主流設計目標進行差異對比，系統(tǒng)地修正關鍵設計理念，提出針對性的設計對策，以期為城市軌道交通節(jié)點換乘站的換乘設計提供參考。

1 節(jié)點換乘站換乘設計技術難點分析

1.1 站臺換乘的實際運營功能未達到設計預期

換乘距離是評估換乘車站便捷性的重要指標，零距離換乘的理念受到重點關注。節(jié)點換乘站的最短換乘路徑為站臺換乘路徑，因換乘節(jié)點直接聯(lián)系兩條線路的站臺，站臺換乘路徑在水平銜接間距與垂直間距上均明顯優(yōu)于站廳換乘路徑，因此在設計中曾經(jīng)一度備受推崇。然而隨著投入運營的節(jié)點換乘站不斷增加，業(yè)內專業(yè)人員逐漸發(fā)現(xiàn)，除靠近換乘節(jié)點處的乘客外，站臺其他區(qū)域的大多數(shù)乘客很少采用端部的站臺換乘路徑，而傾向于采用站廳換乘路徑，如圖1所示。

圖1 典型節(jié)點換乘站換乘路徑示意圖Fig.1 Diagram of transfer route in typical node transfer station

同時，因站臺換乘節(jié)點的面積較小，換乘距離較短，在站內進行客流引導、限流的難度較大，運營管理單位提高站臺換乘效率的意愿不強，從而導致站臺換乘路徑中樓梯的使用率未達到設計目標。另外，站臺換乘的便捷性與舒適性較差，換乘節(jié)點處擁堵狀況高發(fā)，乘客的換乘體驗不佳。設計推薦的換乘優(yōu)勢路徑在實際運營中出現(xiàn)了利用率低、局部擁堵等現(xiàn)象，為了找尋其具體原因，需對站臺換乘路徑的效能進行深入分析。

1.2 設計換乘客流強度量級內關鍵設施處出現(xiàn)擁堵

GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》中列出了樓扶梯通道等關鍵性設施(以下簡稱“關鍵設施”)的最大通過能力，同時要求換乘設施的通過能力應滿足高峰時段設計換乘客流量的需要。在設計階段，各關鍵設施的通過能力均按照高峰時段設計換乘客流量進行了復核，由此普遍認為車站的各項關鍵設施均可滿足該站設計客流強度范圍內的需求，換乘節(jié)點區(qū)域擁堵是由于換乘客流量超過了設計客流量級而引起。

通過對已運營項目的調研發(fā)現(xiàn)，雖然實際的換乘客流量并未達到高峰時段的設計換乘客流量，但是卻出現(xiàn)了擁堵，且擁堵現(xiàn)象十分常見。以廣州地鐵4號線、5號線的換乘站車陂南站為例，該站的高峰時段設計換乘客流量為16 679人/h。該站在07：00—08:00間的實際換乘量約為7 000人/h，并未超出設計客流量級，但已在換乘節(jié)點附近的站臺區(qū)域出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象，站臺遠離換乘節(jié)點端的換乘運能明顯降低，車站啟動了客流引導工況；在08：00—09:00間，該站的換乘客流量約為2.3～2.7萬人/h，超過了設計換乘客流量，因而站臺區(qū)域的擁堵進一步加劇，車站啟動了限流工況。

由此可知，換乘站發(fā)生客流擁堵，不僅是因為換乘客流量超過設計客流量，而是由多種原因共同作用導致，需要對擁堵的成因進行深入分析。

1.3 新線開通對既有線路產(chǎn)生客流沖擊

分期設計和建設的城市軌道交通線路，在新線開通接入城市軌道交通線網(wǎng)時，新增的換乘站出現(xiàn)換乘能力不足、換乘客流擁擠、對乘客采取控制措施時間長等現(xiàn)象的概率遠高于同步設計和建設的換乘車站出現(xiàn)擁堵的概率。因此，需在設計階段補充新線開通后,應新增換乘站中新開通車站對既有車站客流沖擊的評估,以評估其換乘能力是否能滿足要求。

2 節(jié)點換乘站換乘設計技術難點成因分析

2.1 乘客換乘行為特征分析

既有研究表明，乘客在車站內行走時常選用最短路徑法則，即:行人在步行時，為了盡快達到目的地，總是傾向于選擇步行距離最短或時間最短的路徑[5-7]。但由于大部分行人對立體空間的認知較弱，難以把握整個換乘站的錯層空間，因此大多傾向于選擇視野范圍內階段性的最短路徑。換乘車站樓扶梯組密布，錯層空間關系復雜，這進一步強化了乘客選擇階段性最佳路徑的心理，具體表現(xiàn)為乘客總是傾向于選擇距離自己較近的關鍵設施，因此，距離站廳樓扶梯組較近的乘客，常常會選擇站廳換乘路徑，而非真正意義上的整體最短的站臺換乘路徑。

由于乘客在站臺并非均勻分布，而是以各個靠近樓扶梯處的列車車門為中心分區(qū)聚集，局部站臺區(qū)域的密度較大，加之換乘客流到達較為集中，易對縱向穿越站臺的乘客造成阻礙。此外，乘客的排隊間距與人流密度成反比，在站臺候車客流不多的情況下，乘客排隊間距較大，此時換乘乘客穿越候車人群的難度較大。這些站臺候車乘客的行為特征都將給換乘乘客行走至下游站臺造成較大的阻礙。

乘客對立體空間的認知問題可通過乘客引導及完善導向設施等手段予以改善。但是，實際站臺通過能力若受到站臺設施布置及乘客候車位置的影響，將直接制約抵達下游站臺的乘客數(shù)量。若因側向通行瓶頸限制，客流的換入需求量大于實際站臺通過能力時，就會在換入站臺的同時出現(xiàn)站臺換乘設施利用率低與站臺擁堵率高的情況。

2.2 站內關鍵設施對區(qū)域擁堵的影響分析

如圖2所示，按照流量、密度、速度3個參數(shù)模型，以站臺的樓扶梯為例，當流量最大時，密度達到最佳值，此后隨著密度的進一步加大，流量反而有所減小。

a) 密度-速度-流量關系

實際設計工作中，在驗算各項關鍵設施能力時，均以《地鐵設計規(guī)范》中的最大通過能力為驗算參數(shù)，而最大通過能力相應地需由最佳密度來保證其流量。當因出現(xiàn)短時沖擊客流、突發(fā)客流、超限客流等原因導致密度超過最佳密度時，車站將出現(xiàn)擁堵，關鍵設施的能力不能再以理論上限值繼續(xù)運行。由此，關鍵設施開始出現(xiàn)能力下降，甚至出現(xiàn)客流停滯現(xiàn)象，擁堵區(qū)域呈現(xiàn)出由擁堵點沿乘客行走路徑向車站各部位擴大的趨勢。

在實際客流量未超過高峰時段設計客流量情況下，發(fā)生擁堵的最主要原因是關鍵設施未以最佳通行密度運行。這時需要合理設置各類客流引導、限流設施，調整、控制客流以最佳密度通過關鍵設施，使關鍵設施能力接近最大通過能力理論值。

2.3 新線開通下?lián)Q乘運能測算中的問題

新線開通會對既有線網(wǎng)的客流分布和運營組織產(chǎn)生一定的影響，可能導致原來部分能力已較為緊張的車站因客流的進一步增加而出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象。

對于兩條線路同時開通運營的換乘車站，兩條線路均需進行進出站客流量與換乘客流量的核算。新線開通后換乘站出現(xiàn)擁堵的原因較為簡單，僅為客流預測存在誤差。

而對于因新線接入既有線網(wǎng)后新增的換乘站，通常設計輸入的客流量僅包含新開通車站的客流預測值及新開通車站與既有車站間的換乘客流預測值。在對既有線路的關鍵設施進行換乘能力驗算時，因采用站廳換乘的乘客與進出站乘客在部分路徑上有所重疊，兩部分客流具有不可分割性，所以部分關鍵設施的能力損耗往往被低估或忽略了。

在設計計算時還容易出現(xiàn)以下誤區(qū)：把新開通車站的換乘能力與既有車站的換乘能力簡單平均,將均分后的結果用來對換乘客流需求進行核驗。而對于一條完整的換乘路徑而言，應對路徑上的最不利瓶頸點進行核驗，以驗證整條換乘路徑的實際通過能力。

綜上所述，在進行新線開通后車站換乘客流測算時，未考慮既有車站現(xiàn)有進出站客流對站廳換乘路徑關鍵設施能力造成的折減，未考慮站臺實際通行能力對站臺換乘路徑上通過能力造成的折減，車站的總換乘能力將新開通車站換乘能力與既有車站換乘能力進行簡單平均，均會導致既有車站換乘能力計算結果較實際換乘能力大，從而在一定程度上加大了新線開通后新增換乘站出現(xiàn)擁堵的風險。

3 針對節(jié)點換乘站設計難點的對策

3.1 站臺換乘能力折減問題的設計優(yōu)化

站臺上候車流線為垂直于列車行進方向的流線，換乘流線為平行于列車行進方向的流線，這兩條流線之間存在交叉。候車流線具有堆積型特征，易造成換乘流線密度、速度、流量關系的不穩(wěn)定。同時，由于站臺的緩沖空間小，不具備客流疏導的條件，不宜作為主要的換乘引導路徑，需結合站內實際客流強度，折減站臺換乘設計能力在車站換乘體系中承擔的比例。

此外，因站臺換乘通道中換乘客流的流速較快，進入站臺的換乘客流會對站臺候車客流形成沖擊，可能引發(fā)推擠甚至客傷事故，因此，換乘通道不宜侵入站臺的候車范圍，且選擇的換入樓扶梯口需與站臺門的端門留有一定的緩沖間距(距離應大于等于2 m)，如圖3所示。

圖3 節(jié)點換乘站換入站臺區(qū)域的設計優(yōu)化示意圖Fig.3 Design optimization of transfer platform area for node transfer station

3.2 短時沖擊客流強度超出設計值的對策

換乘設計中不應將換乘便捷性作為設計的首要目標，而應尋求換乘客流穩(wěn)定的密度、速度、流量關系，以促使關鍵設施保持最大通過能力。設計時一般以高峰小時客流量作為設計依據(jù)，但在實際的運營中可能會出現(xiàn)高峰小時客流量未超過設計值、短時客流密度值超過最佳密度值的情況。此時換乘客流的到達較為集中，且站臺候車乘客聚集在換乘節(jié)點連接處，將進一步加大因短時客流沖擊導致站臺擁堵的發(fā)生概率。因此，將短時客流密度超出設計客流強度的工況作為常規(guī)工況納入設計工作中，在設計階段有針對性地對該工況進行研究，制定有效的應對措施，可使換乘站的適應力進一步提高。

具體的設計對策為：設計時依據(jù)短時客流密度與最佳密度的關系，分為短時客流密度小于最佳密度、短時客流密度約等于最佳密度、短時客流密度大于最佳密度3種情況。這3種情況分別對應客流的自由態(tài)、引導態(tài)、限流態(tài)3種工況，按照不同工況下的客流特征進行流線設計及空間規(guī)劃，并考慮3種工況間靈活切換的工程條件。如圖4所示，以換入站臺的樓扶梯口區(qū)域為例，自由態(tài)工況下的流線設計應便捷、高效、清晰；引導態(tài)工況下,應在關鍵設施前部預留設置分向引流空間的條件，用于客流引導；限流態(tài)工況下,應設置不妨礙其它方向客流正常流線的限流空間，用于控制換乘客流的流向與速度。上述工況的設計均應以不影響災害時疏散通暢性為前提。

3.3 新線接入后對既有車站客流沖擊的對策

在新線設計時，應增加對既有車站接入新線后既有運能的適應性評估，預測既有運能下站臺乘客的滯留情況、站內和站外需要限流的乘客數(shù)量，以及客運強度與高峰時段客流設計值之間的關系，并將因既有車站的進、出站客流造成的關鍵設施折減影響納入評估范圍。

a) 自由態(tài)

換乘路徑通常由多個關鍵設施串聯(lián)組成，其中,最小局部節(jié)點的通過能力決定了全路徑的整體通過能力。因此，不應通過擴大新線車站換乘能力來達到加大既有車站換乘能力的目的，而應將所有換乘路徑按照需要通過的關鍵設施組特征進行分類，在所有路徑中找出最小節(jié)點的通過能力，用以核驗全路徑的通過能力。

如圖5所示，從B線出站換入A線的換乘路徑由B線的出站/換乘設施組與A線的進站/換乘設施組組成，則A線進站/換乘設施組與B線出站/換乘設施組均應先扣除兩條線路的進出站客流在其中所占的比例后，再對設施組的通過能力進行對比，取其中的較小者作為換乘路徑能力的評估值。

圖5 根據(jù)換乘路徑核算換乘能力示意圖Fig.5 Calculated transfer capacity according to transfer paths

此外，站臺換乘能力雖受站臺換乘通過能力控制，但仍可發(fā)揮一定的換乘效用。新線接入后，需對既有換入站臺的換乘能力進行合理評估。

當既有換入站臺的換乘能力不能滿足新線開通后換入客流的需求時，應設置足夠的換乘緩沖區(qū)域，提供較為舒適的換乘等候設施，以改善乘客的換乘體驗，降低運營風險。

4 結語

節(jié)點換乘站的站臺換乘路徑具有一定的優(yōu)勢，但也有其局限性，應在合理的范圍內使用。維持換乘客流良好的流量、密度、速度關系，是換乘車站管理的核心，應將客流的疏導和限流工況作為常規(guī)工況納入車站設計中，以便于線路開通后相關客流引導措施的實施。

按照路徑原則計算換乘能力，可有效體現(xiàn)各項影響因素對換乘能力的折減，使計算結果更接近于運營實際。在新線的前期設計階段，應突破目前僅研究工程實施性的評估方式，進一步評估既有車站換乘承載能力的適應范圍，以便在線網(wǎng)中選擇適宜的接入點，避免在新線運營后出現(xiàn)難以彌補的設計缺憾。