軌道交通樞紐建筑動態客流模擬分析

邢家勇 馮世杰

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司城交分院,300251,天津∥第一作者,工程師)

軌道交通樞紐建筑動態客流模擬分析

邢家勇 馮世杰

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司城交分院,300251,天津∥第一作者,工程師)

基于天津站交通樞紐和天津濱海新區于家堡站交通樞紐的建筑設計及其動態客流仿真模擬的成果,對軌道交通樞紐建筑中的客流組織設計進行了分析和研究。有針對性地提出了客流組織設計中存在的問題,并對解決問題的方法進行了歸納總結。

軌道交通樞紐;客流組織;動態客流模擬

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

隨著鐵路大發展時期的到來,城際鐵路、客運專線等項目如雨后春筍般大量涌現。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,而其建筑功能設計則集中體現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、合理性和科學性,同時在突發情況下具有安全性,是當前城市大型交通樞紐建筑設計的重點之一。

1 國內軌道交通設計中存在的不足

目前,在我國城市的大型交通樞紐建設中,主要是通過對各種性質客流的換乘目的進行分析,依據規劃資料和相關設計規范的要求進行簡化計算和設計。這種純理論和利用既有主觀經驗的設計方法在一定程度上是滿足中小型軌道交通工程的設計、建設和運營需要的,但對于城市大型交通樞紐項目的設計則存在以下不足:

(1)客流組織只停留在理論分析和簡化設計層面,對各種客流之間的相互干擾無法做出準確的判斷,僅能通過各種客流所占比例,人為規定出疏導客流的優先級別。

(2)對進出站大廳、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的量化依據,使建成后的建筑空間要么局促、擁堵,要么造成浪費。

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

(5)對售檢票等公共設施以及疏導客流的欄桿圍合區域的布置,采用純主觀的經驗判斷,造成乘客使用不暢,從而產生大面積的非正常擁堵。

2 動態客流仿真模擬的原理及流程

針對傳統客流組織方式的不足,在設計領域出現了“動態客流仿真模擬”這一輔助設計手段,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。本文對這種設計手段的運行原理和流程進行簡單介紹。

2.1 動態客流仿真模擬的原理

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

表1 交通樞紐內的服務閾限等級

通常情況下,服務水平C是高峰小時運營情況的最低目標。這就意味著在交通樞紐內要盡量減少D級(含D級)以下服務水平區域。

2.2 動態客流模擬的流程

首先,對預測的客流數據進行梳理歸納,形成模型的需求數據,包括模型區域內行人的數量和類型、出發和到達的時刻,以及各種類型的行人在模型環境中起、終點情況等;同時對不同類型的行人的等候、行走和排隊等特征進行分析,以便對仿真模型中和行人活動有關的參數進行準確的標定。

其次,需要對乘客行程路線和流線、列車的運行頻率、相關設備的服務能力(如自動扶梯檢票口和閘機等)、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等進行合理的設定;此外,對車站發生火情或其他緊急情況下的人流組織信息也需要進行合理的設定。

祝國寺還是東川區的民族團結進步示范單位。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就有兩個小廟，也在祝國寺的輻射帶動下維持了良好的和諧局面。

最后,根據以上內容模擬出各種客流的狀態,并根據等級指標,利用模擬出的平均乘客密度、緊急疏散時間分析等對服務水平進行評價和績效衡量;進而提出修改建議并結合修改后的方案進行客流模擬及驗證,比較改善前后的效率差,為修改后的方案提供理論支撐,達到優化設計的目的。

3 應用實例

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,其共同的特點是:涵蓋了高速鐵路、地鐵、道路公交、社會車輛停車場、出租車場等多種交通形式,以及配套服務、景觀等附加功能;客流量巨大,流線組織復雜。為提高客流組織設計的科學性,這些樞紐均采用了動態客流仿真模擬的設計方法。本文結合天津站和于家堡站交通樞紐中采用動態仿真客流模擬方法進行設計的實際經驗,進行分析、歸納和總結,以期在今后相關工程設計中能提供一種科學合理的設計思路。

3.1 天津站大型交通樞紐工程

3.1.1 建筑方案設計

天津站是京津城際鐵路的重要樞紐之一,同時也是天津市公共交通網絡的中心節點。樞紐內主要包括:京津城際鐵路,普速鐵路,天津地鐵2、3、9號線,3個社會場停車場,3個出租車停車場,2個道路公交中心等。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計初期,對城市軌道 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 客流疏導的優先級別

在設計初期,對于客流疏散,理論分析是客流量多的區域其疏散難度最大。但通過仿真模擬分析,發現實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行最不利情況疏散模擬時,首先對正常工況下地下各層人數進行統計分析,發現各個區域到達客流高峰的時間并不相同(如圖3)。人數最多的是區域一,約占總客流的44%;區域二內乘客人數波動較大,約占總客流的29%;區域三負擔乘客數量較低,約占總客流的18%;區域四只負擔地鐵9號線一個方向的下客,約占總客流的10%。

經過仿真模擬分析,區域二承擔地鐵2號線一個方向的上、下客功能和地鐵9號線一個方向的下客功能,且只有3組通道和地下二層連接。雖然區域二的客流不是最大,但在模擬中發現該處確實存在較大的安全隱患。通過盡量增加樓扶梯的數量,在120 m長站臺范圍內設置3組(包含2部扶梯和1部樓梯)豎向交通,最大程度地優先提高該區域的客流疏導功能。

圖3 地下三層乘客統計區域劃分及乘客數量統計示意圖

3.1.3 空間的容裕性分析

在方案設計初期,對地下一層的建筑空間進行了布置,主觀規劃了客流走向;后通過客流仿真模擬分析,看出乘客會選擇最短路徑至地鐵自動扶梯。結合模擬情況深化設計后,對初期的建筑布局進行了局部調整,擴大了走廊周圍拐角可視范圍,使客流更加順暢;同時在客流利用率較低的區域布置了配套服務區,充分、合理地利用了建筑空間(如圖4)。

3.1.4 對樓扶梯等垂直交通的分析

地下四層為地鐵3號線站臺層,最初設計在長120 m、寬16 m的島式站臺上,靠近兩端分別布置一組兩上一下和兩下一上各三部自動扶梯,站臺中間布置一部樓梯。通過動態客流模擬驗證,該設計存在較突出的客流沖突問題:往來于地鐵3號線的乘客量巨大,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,但短時間內乘客無法全部疏導,致使每組下行扶梯上的乘客無法離開扶梯,從而產生運營安全隱患。(圖5的較深區域是客流擁堵的區域 ,下同。)

圖4 交織區平均密度分析圖

圖5 天津站地下四層3號線站臺初步方案模擬圖

根據以上模擬情況,對樓扶梯布置進行了調整,將扶梯均勻分布到站臺上,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,自動扶梯周圍大面積的擁堵已不存在,且客流不再集中于站臺的某一區域,而是均勻分散到整個站臺;3組樓扶梯的客流量分布也比較均勻,自動扶梯口的上、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號線站臺調整方案模擬圖

3.1.5 公共設施布置分析

對地下二層平面布置進行客流仿真模擬(見圖7)可以看出,通往地鐵的自動扶梯、進出站閘機等人員使用頻繁的公共設施處,都不同程度地出現了擁堵現象。

結合模擬中發現的問題,對原先的樓扶梯成組方式進行了優化,增加了進出站閘機數量,并將公共大廳里的欄桿拐角進行順滑布置。對調整方案進行客流仿真模擬,可以看出情況已得到改善,調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的于家堡商務中心區,是集城際鐵路、地鐵、道路公交、出租車和社會車輛等多種交通方式于一體的又一綜合性的交通樞紐,是國內第一批正在建設中的地下鐵路站房樞紐。樞紐內主要包括京津城際鐵路,地鐵 B1、B2、Z1線,社會場停車場,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行設計的經驗,在本工程建筑方案設計之初,即對可能出現的各種問題進行了思考和研究,以避免雷同問題再次發生。從對首輪建筑方案進行客流仿真模擬的結果看,除極少數因某些方案特殊性而產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 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容,但卻基本可以涵蓋軌道交通樞紐客流組織設計的常見問題。在綜合交通樞紐建筑設計中,利用動態客流仿真模擬這一手段是科學和合理的。

綜上所述,客流仿真模擬可在工程建設實施前通過“實時”動態模擬,對建筑空間使用、客流分布密度、緊急疏散等進行場景演示,并在驗證建筑方案的合理性、充分利用建筑空間、優化建筑功能布局和流線組織等方面具有實用價值。動態客流仿真模擬將極大提升建筑師的設計理念和建筑細節把握能力。隨著城市的不斷發展以及服務水平的不斷提升,將形成越來越多的軌道交通網和交通樞紐,建設規模越來越大,建筑功能越來越復雜。在各種人流密集的建筑如機場、體育館、博物館、劇院、旅游景區等工程的設計中,均可以采用動態客流仿真模擬,以完善建筑功能和客流組織設計。

[1]GB 50157—2003地鐵設計規范[S].

[2]GB 50490—2009城市軌道交通技術規范[S].

[3]GB 50016—2006建筑設計防火規范[S].

[4]施仲衡.地下鐵道設計與施工[M].西安:陜西科學技術出版社,1997.

[5]李小江.城市軌道交通技術規范實施指南[M].北京:中國建筑工業出版社,2009.

[6]鐵道第三勘察設計院.天津站交通樞紐動態客流模擬報告[R].天津:鐵道第三勘察設計院,2007.

[7]鐵道第三勘察設計院.天津于家堡火車站樞紐客流模擬報告[R].天津:鐵道第三勘察設計院,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)