城市道路橫斷面設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)比選

馮 雨

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600)

某地外環(huán)路項(xiàng)目為城市主干道,目前為一幅路形式,擬定對(duì)其進(jìn)行改造,將其改造成四幅路形式。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)巖土工程勘察,該外環(huán)路所在位置的地層結(jié)構(gòu)為人工填土層、新近沉積層、一般第四紀(jì)沉積層(自上向下)。其中人工填土層以砂質(zhì)粉土素填土為主,新近沉積層以砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土為主,一般第四紀(jì)沉積層以粉質(zhì)黏土及黏質(zhì)粉土為主。地下水以潛水及層間水為主,潛水位埋深為9.70～14.50 m,水位標(biāo)高為6.86～12.74 m。層間水,水位埋深為16.40～17.90 m,水位標(biāo)高4.22～6.19 m,具有承壓性。

1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件,在遵循技術(shù)可行、投資合理、滿(mǎn)足建設(shè)進(jìn)度要求等原則的基礎(chǔ)上,對(duì)道路橫斷面進(jìn)行設(shè)計(jì),使近遠(yuǎn)期工程充分結(jié)合,最小化遠(yuǎn)期改造工程量。

方案一:考慮到該道路遠(yuǎn)期作為城市主干道,車(chē)流量、人流量均較大,為確保通行暢通度及安全性,道路兩側(cè)分別設(shè)計(jì)連續(xù)主、輔路系統(tǒng),其中輔路系統(tǒng)可優(yōu)化兩側(cè)地塊交通出行,既能實(shí)現(xiàn)該道路交通服務(wù)功能,也可降低對(duì)主路系統(tǒng)的干擾,使主路具備更好的通行能力[1]。橫斷面采用四幅路型式,具體布置(由南向北)為:3 m(人行道)+1.5 m(行道樹(shù)設(shè)施帶)+6.5 m(輔路)+2.5 m(分隔帶)+8 m(機(jī)動(dòng)車(chē)道)+2 m(中央分隔帶)+8 m(機(jī)動(dòng)車(chē)道)+2.5 m(分隔帶)+6.5 m(輔路)+1.5 m(行道樹(shù)設(shè)施帶)+3 m(人行道)=45 m。

方案二:考慮到當(dāng)?shù)鼐用袢粘６叹嚯x出行多采取非機(jī)動(dòng)車(chē)方式,故方案二取消了兩側(cè)輔路系統(tǒng),改為獨(dú)立的非機(jī)動(dòng)車(chē)道,優(yōu)化了非機(jī)動(dòng)車(chē)出行條件,弱化了機(jī)動(dòng)車(chē)出行條件,這樣可有效防止機(jī)動(dòng)車(chē)、非機(jī)動(dòng)車(chē)及行人之間可各行其道,以防干擾[2]。橫斷面采用四幅路型式,具體布置(由南向北)為:3 m(人行道)+1.5 m(行道樹(shù)設(shè)施帶)+3.5 m(非機(jī)動(dòng)車(chē)道)+2.5 m(分隔帶)+8 m(機(jī)動(dòng)車(chē)道)+3 m(中央分隔帶)+8m(機(jī)動(dòng)車(chē)道)+2.5 m(分隔帶)+3.5 m(非機(jī)動(dòng)車(chē)道)+1.5 m(行道樹(shù)設(shè)施帶)+3 m(人行道)+5 m(綠化帶)=45 m。

2 基于層次分析法對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)比選

為選出最佳橫斷面方案,采用層次分析法對(duì)上述兩個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值及相應(yīng)指標(biāo)的相對(duì)比隸屬度,根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果確定最優(yōu)橫斷面方案。

2.1 層次分析法

2.1.1 原理

層次分析法是一種通過(guò)定性與定量相結(jié)合來(lái)評(píng)價(jià)分析非定量事件的方法,尤其是在分析評(píng)價(jià)多目標(biāo)、多層次等復(fù)雜問(wèn)題中效果良好。使用層次分析法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行評(píng)價(jià)分析時(shí),對(duì)于那些無(wú)法測(cè)量的指標(biāo),只要合理引用標(biāo)度,便能夠確定各指標(biāo)的相對(duì)重要性,為決策提供科學(xué)依據(jù)。層次分析法評(píng)價(jià)模型建立的步驟如下:根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建出相對(duì)隸屬度矩陣,根據(jù)隸屬度矩陣構(gòu)建出評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重判斷矩陣,進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1.2 相對(duì)隸屬度矩陣

相對(duì)隸屬度概念來(lái)自于模糊評(píng)價(jià)函數(shù),通過(guò)模糊評(píng)價(jià)可對(duì)多因素影響的事件進(jìn)行全面有效評(píng)價(jià),且評(píng)價(jià)結(jié)果并不是完全的肯定或否定,而是通過(guò)一個(gè)模糊集來(lái)進(jìn)行表達(dá)。相對(duì)隸屬度矩陣構(gòu)建可通過(guò)模糊評(píng)價(jià)矩陣來(lái)表示,根據(jù)實(shí)際評(píng)價(jià)指標(biāo)建立模糊評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,從中確定越大越優(yōu)型指標(biāo)[3],可通過(guò)公式(1)來(lái)表達(dá):

rij=xij/(xmaxij+xminij)

(1)

確定越小越優(yōu)性指標(biāo),表達(dá)式如下:

rij=(xmaxij+xminij-xij)/(xmaxij+xminij)

(2)

確定越中越優(yōu)型指標(biāo),表達(dá)式如下:

(3)

式(1)、(2)、(3)中,rij為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的評(píng)價(jià)指標(biāo)值,xij為指標(biāo)值,xmaxij為方案集中第i行的最大值,xminij為方案集中第i行的最小值。

通過(guò)上述3個(gè)公式可計(jì)算得出模糊評(píng)價(jià)矩陣,表達(dá)式如下:

(4)

式(4)中,R為模糊評(píng)價(jià)矩陣,r11、r1m、rn1、rnm為評(píng)價(jià)指標(biāo)值。

2.1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重矩陣

在模糊評(píng)價(jià)矩陣的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)值的權(quán)重判斷矩陣。對(duì)于模糊評(píng)價(jià)而言,其是對(duì)指標(biāo)優(yōu)選的一個(gè)過(guò)程,如果某一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的樣本系列與區(qū)域統(tǒng)計(jì)值及模型預(yù)測(cè)值之間的差值變化程度比其他方案高,說(shuō)明該評(píng)價(jià)指標(biāo)所能傳遞的評(píng)價(jià)信息是優(yōu)于其他方案的。由此可知,可利用評(píng)價(jià)指標(biāo)與區(qū)域統(tǒng)計(jì)值及模型預(yù)測(cè)值之間的差值(即樣本標(biāo)準(zhǔn)差)來(lái)表達(dá)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的實(shí)際影響程度,可構(gòu)建出權(quán)重判斷矩陣,具體表達(dá)式如下:

(5)

式(5)中,bij為權(quán)重判斷矩陣,s(i)為樣本i的標(biāo)準(zhǔn)差,s(j)為樣本j的標(biāo)準(zhǔn)差,smax為樣本系列的最大值,smin為樣本系列的最小值,bm為相對(duì)重要性程度參數(shù)值。

基于權(quán)重判斷矩陣,采用規(guī)范平均法對(duì)所有列向向量做歸一化處理,計(jì)算得出平均值,進(jìn)而得出矩陣的權(quán)重向量近似解,并做一致性檢驗(yàn),根據(jù)權(quán)重值及相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)隸屬度值計(jì)算出綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值[4],具體公式如下:

z(j)=∑wir(i,j),j=1～m

(6)

式(6)中,z(j)為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值,該值越大說(shuō)明第j各方案越優(yōu),wi為評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值,r(i,j)為評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)隸屬度值。

2.2 方案評(píng)價(jià)及比選

橫斷面方案比選中,采用層次分析根據(jù)方案設(shè)計(jì)內(nèi)容明確相關(guān)指標(biāo)的相對(duì)隸屬度矩陣,在相對(duì)隸屬度矩陣的基礎(chǔ)上建立權(quán)重判斷矩陣,確定方案評(píng)價(jià)的權(quán)重值,對(duì)方案進(jìn)行比選。經(jīng)計(jì)算得出兩種方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)及相對(duì)隸屬度,如表1所示。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知,序號(hào)2、10、12、14指標(biāo)是越大越優(yōu)型指標(biāo),序號(hào)11、15指標(biāo)是越中越優(yōu)型指標(biāo),序號(hào)13指標(biāo)是越小越優(yōu)型指標(biāo)?？傻贸鰞煞N橫斷面方案的模糊評(píng)價(jià)矩陣,具體如下:

計(jì)算其樣本標(biāo)準(zhǔn)差s(i),結(jié)果如下:

S(i)=(0.006,0.072,0.015,0.577,0.083,0.297,0.255,0.020,0.218,0.083,0.167,0.132,0.315,0.134)

通過(guò)規(guī)范平均法對(duì)模糊評(píng)價(jià)矩陣的權(quán)重向量進(jìn)行計(jì)算,對(duì)判斷矩陣的所有列向量做歸一化處理及平均,得出權(quán)重向量的近似解,以便做進(jìn)一步的一致性檢驗(yàn)。權(quán)重向量近似解結(jié)果如下:

W=(0.006,0.012,0.014,0.007,0.261,0.016,0.261,0.083,0.065,0.006,0.008,0.052,0.016,0.036)

計(jì)算最大特征根結(jié)果為:λm=19.786。

對(duì)一致性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如下:

一致性符合要求,即判斷矩陣是相容的,求得的權(quán)重向量可作為方案判斷的權(quán)重向量。

根據(jù)上述權(quán)重向量對(duì)兩種橫斷面設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià),得出具體的評(píng)價(jià)值,如表2所示。

表2 兩種橫斷面設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.2 Evaluation results of two cross-sectional design schemes

從表2可以得出,在道路規(guī)劃紅線(xiàn)寬度既定的情況下,兩個(gè)橫斷面設(shè)計(jì)方案中,權(quán)重占比較大的指標(biāo)為分隔帶寬度,權(quán)重占比較小的指標(biāo)包括車(chē)道數(shù)量、機(jī)動(dòng)車(chē)道寬度及車(chē)道通行能力等。這是因?yàn)樵诖_定好道路紅線(xiàn)寬度之后,機(jī)動(dòng)車(chē)道數(shù)量、機(jī)動(dòng)車(chē)道寬度及車(chē)道通行能力等在方案設(shè)計(jì)中差別不大,對(duì)道路通行能力影響較小,所占權(quán)重較小。城市道路項(xiàng)目設(shè)計(jì)中,單位造價(jià)對(duì)橫斷面設(shè)計(jì)方案決策的敏感度相對(duì)較低,故其權(quán)重較小。由此可知,城市道路橫斷面方案設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮行人、非機(jī)動(dòng)車(chē)、機(jī)動(dòng)車(chē)是不是有效分離、路權(quán)是不是非常明確及橫斷面布局時(shí)管線(xiàn)位置是否合理等因素。綜合評(píng)價(jià)值是通過(guò)橫斷面設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值及相對(duì)隸屬度相乘并累加得出的,所以橫斷面設(shè)計(jì)方案的綜合評(píng)價(jià)值越高,則說(shuō)明該方案的優(yōu)越性、可行性越好。結(jié)合表2綜合評(píng)價(jià)值可知,方案一的綜合評(píng)價(jià)值為0.481,大于方案二的綜合評(píng)價(jià)值0.386,因此橫斷面設(shè)計(jì)方案最終確定采用方案一。

橫斷面設(shè)計(jì)是城市道路項(xiàng)目建設(shè)的前期工作,層次分析法在道路橫斷面方案設(shè)計(jì)比選中有著良好的適用性,可為決策提供科學(xué)依據(jù)。