突發(fā)性客流地鐵站點(diǎn)的疏散設(shè)計(jì)優(yōu)化研究*

周百靈，徐 亮，毛前軍

(武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

0 引言

地鐵在城市交通系統(tǒng)中扮演重要角色，憑借準(zhǔn)時(shí)準(zhǔn)點(diǎn)、客流運(yùn)輸大、方便快捷等特點(diǎn)，成為乘客出行首選交通方式，地鐵安全性、可靠性也引發(fā)社會(huì)關(guān)注。

趙金龍等[1]通過模擬不同工況下人流特征得出站內(nèi)疏散瓶頸區(qū)域，并推算出需采取限流措施的人員界限；陳娜等[2]通過模擬某地鐵站不同區(qū)域發(fā)生火災(zāi)時(shí)情況，分析對(duì)比國(guó)內(nèi)外疏散規(guī)范差異；王春雪等[3]選取不同運(yùn)行時(shí)段人群特征，建立疏散仿真模型，得出在高峰、平峰、低峰等工況下不同數(shù)量列車到站時(shí)擁堵情況；王起全等[4]利用仿真軟件建模研究影響應(yīng)急疏散效率相關(guān)因素，以期提高應(yīng)急疏散效果；Qin等[5]利用Pathfinder軟件模擬不同工況下疏散情況，得出列車乘客與車站人數(shù)預(yù)警閥值關(guān)系；Chen等[6]模擬4種客流場(chǎng)景下疏散過程，提出地鐵站內(nèi)相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；Nouri等[7]討論地鐵站應(yīng)急疏散中有效環(huán)境和組織管理因素；Wang[8]通過模擬不同條件和參數(shù)下人群疏散，記錄人群速度以及通過出入口人數(shù)和疏散路徑選擇，為地鐵空間設(shè)計(jì)和消防方案制定提供建議。現(xiàn)有研究樣本大部分以中間站為主，研究?jī)?nèi)容主要集中在疏散模型關(guān)鍵參數(shù)分析、乘客疏散行為分析等方面，建議優(yōu)化對(duì)象多集中于閘機(jī)通道、導(dǎo)流欄桿等內(nèi)部設(shè)施布局與管理措施等方面[9-10]。

本文以武漢軌道交通武昌火車站為例，根據(jù)實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)，建立突發(fā)性客流地鐵站疏散仿真模型，通過模擬不同時(shí)期節(jié)點(diǎn)下疏散場(chǎng)景，確認(rèn)最不利工況，并分析此種工況疏散過程中瓶頸區(qū)域和具體擁堵位置，據(jù)此從站臺(tái)層疏散口分布位置和樓梯開口朝向、高選擇度站廳層出入口的垂直交通核構(gòu)成等方面提出地鐵站疏散口設(shè)計(jì)優(yōu)化建議。

1 案例分析

軌道交通武昌火車站是武漢地鐵4號(hào)線和7號(hào)線換乘站，站廳總長(zhǎng)329 m、寬34.5 m，7號(hào)線站臺(tái)長(zhǎng)150 m、寬12 m，4號(hào)線站臺(tái)長(zhǎng)120 m、寬10 m，目前地鐵站已開通9個(gè)出入口。

武昌火車站位于地鐵站東南方向，人流量在節(jié)假日與非節(jié)假日期間存在明顯差異，地鐵站東北方向?yàn)楹昊瓦\(yùn)站，是武漢重要的客運(yùn)樞紐站。總的來(lái)看，軌道交通武昌火車站是武漢目前最為復(fù)雜的地鐵換乘站，研究?jī)r(jià)值較高。

地鐵站主體結(jié)構(gòu)由2部分組成，如圖1所示，圖中字母表示站廳層出入口位置。其中，一部分是4號(hào)線區(qū)間地下2層島式結(jié)構(gòu)，另一部分是7號(hào)線區(qū)間地下3層島式結(jié)構(gòu)。

圖1 地鐵疏散仿真模型Fig.1 Simulation model of subway evacuation

站廳層由公共區(qū)與4號(hào)線換乘廳組成，連接地面疏散口有7個(gè)，不同疏散口疏散樓梯均有自動(dòng)扶梯與普通樓梯，其數(shù)量和寬度略有不同，站臺(tái)層由7號(hào)線與4號(hào)線2個(gè)站臺(tái)組成。

該地鐵站點(diǎn)內(nèi)乘客數(shù)量隨時(shí)期節(jié)點(diǎn)不同而有所差異，在特定時(shí)期節(jié)點(diǎn)內(nèi)，進(jìn)入地鐵站的客流量陡增，由于地鐵站位于交通樞紐站附近，乘客攜帶行李數(shù)較多且人員結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，因此，本文以節(jié)假日與非節(jié)假日區(qū)分不同時(shí)期節(jié)點(diǎn)。

2 場(chǎng)景模擬

2.1 工況選擇

該地鐵站點(diǎn)為2條線路換乘站，列車到站數(shù)量不同。據(jù)觀察統(tǒng)計(jì)[3]，相同線路下往返2列列車同時(shí)到站概率較小，因此研究1列列車到站與不同線路下2列列車同時(shí)到站情況。

2.2 不同工況模擬下的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

地鐵站4號(hào)線區(qū)間采用6節(jié)編組的B型列車，7號(hào)線區(qū)間采用6節(jié)編組的A型列車，根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50157—2013)[11]，6節(jié)編組的B型列車定員1 380人，6節(jié)編組的A型列車定員1 860人，由于攜帶行李乘客較多，會(huì)占據(jù)車廂內(nèi)部分空間，故在列車乘客取值中均設(shè)置為列車定員的50%，即A、B型列車乘客人數(shù)分別為930，690人。

由于A、B型列車均為6節(jié)車廂，其中A型列車每節(jié)車廂5個(gè)車門，B型列車每節(jié)車廂4個(gè)車門，且站臺(tái)有柱、樓梯等結(jié)構(gòu)占用部分空間，假設(shè)每個(gè)車門前排2隊(duì)，則7號(hào)線站臺(tái)層最多可排120隊(duì)，4號(hào)線站臺(tái)層最多可排96隊(duì)[12]。

基于此，模擬節(jié)假日工況時(shí)，設(shè)置每隊(duì)候車人數(shù)為4人，7號(hào)線站臺(tái)層候車人數(shù)為480人，4號(hào)線站臺(tái)層候車人數(shù)為384人，此時(shí)站臺(tái)層總?cè)藬?shù)為864人。同時(shí)結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，假定站廳層人數(shù)為站臺(tái)層人數(shù)的75%。模擬非節(jié)假日工況時(shí)，設(shè)置每隊(duì)候車人數(shù)2人，7號(hào)線站臺(tái)層候車人數(shù)240人；4號(hào)線站臺(tái)層候車人數(shù)192人，此時(shí)站臺(tái)層總?cè)藬?shù)為432人，假定站廳層人數(shù)為站臺(tái)層人數(shù)的50%，模擬結(jié)果如表1所示。

由表1可知，無(wú)論哪種工況，在整個(gè)疏散過程中，離開站臺(tái)層的疏散時(shí)間占比約為65%～70%，離開站廳層疏散時(shí)間占比約為30%～35%。這是因?yàn)槭軐?shí)際情況約束，站臺(tái)層面積比較固定，疏散口(樓梯)數(shù)量有限，而此類地鐵站站廳層面積一般遠(yuǎn)大于各站臺(tái)層面積，甚至大于其面積之和，并且由于其多為交通樞紐，站廳層安全出口數(shù)量較多且空間分布較廣，導(dǎo)致站廳層疏散人數(shù)容許值具有一定彈性空間[13]。因此，優(yōu)先優(yōu)化站臺(tái)層疏散效率更有利。

此外，根據(jù)現(xiàn)行《地鐵安全疏散規(guī)范》(GB/T 33668—2017)[14]第4.3條規(guī)定：地鐵車站應(yīng)按6 min內(nèi)將乘客全部疏散至安全區(qū)為原則。由表1可知，節(jié)假日A1、節(jié)假日A2、節(jié)假日A3 3種工況均不符合規(guī)范要求。下文將以耗時(shí)最多的節(jié)假日A3為典型工況進(jìn)行優(yōu)化分析。

3 典型工況數(shù)據(jù)分析

典型工況下(節(jié)假日A3)需疏散人員共3 132人，疏散時(shí)間為388 s。根據(jù)仿真模型，在第185 s時(shí)，已疏散人員數(shù)量占總疏散人員數(shù)量的1/2。整個(gè)疏散過程中，前期疏散響應(yīng)與后期人員擁堵是影響疏散時(shí)間的重要因素[15]。

在疏散過程中，站廳層每個(gè)出入口使用情況與累計(jì)疏散人數(shù)均有所不同，由于A,G1,G2等出入口位于站廳層邊緣，使用率較低。

表1 不同工況下的模擬統(tǒng)計(jì)Table 1 Simulation statistics under different conditions

總體疏散效率較高的出入口為B，C，E，F(xiàn)，H。其中C，E出入口總體疏散寬度接近合理區(qū)間上限，改進(jìn)空間較小；H出入口在中間層，人員會(huì)優(yōu)先選擇最短疏散路徑，這也導(dǎo)致H出入口累計(jì)疏散人員相對(duì)較多；F出入口處在站廳層中間位置，具有良好的視野及通行能力，故累計(jì)疏散人員也較多；B出入口靠近4號(hào)線區(qū)間，在大客流工況下，其疏散能力相對(duì)不足。

綜上，在整個(gè)疏散過程中，列車車門、站臺(tái)層疏散口和站廳層疏散口為瓶頸區(qū)，其中站廳層疏散口的選擇度分化明顯。考慮列車車門處擁擠時(shí)間與列車所載乘客和站臺(tái)層候車人數(shù)直接相關(guān)，且車門改造空間較小，應(yīng)以站臺(tái)層疏散口以及疏散能力不足的高選擇度站廳層疏散口為主要優(yōu)化對(duì)象[13]。

4 優(yōu)化措施

4.1 站臺(tái)層疏散口優(yōu)化

由于7號(hào)線站臺(tái)層最右側(cè)疏散口為2部直達(dá)站廳層的自動(dòng)扶梯，在中間層結(jié)構(gòu)與圍欄不變條件下，應(yīng)保持最右側(cè)盡端疏散口位置不變，僅對(duì)其余3個(gè)疏散口進(jìn)行相應(yīng)位置優(yōu)化[16]。7號(hào)線站臺(tái)層的疏散口位置調(diào)整如圖2所示。

圖2 7號(hào)線站臺(tái)層疏散口的位置調(diào)整Fig.2 Adjustment on location of evacuation entrances at platform floor of Line 7

根據(jù)模擬后的數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化方案7-a為524 s，優(yōu)化方案7-b為457 s，均大于原始的388 s。如果左側(cè)2個(gè)疏散口能將人員引流到G1，G2，E，F(xiàn)等使用率較低的出口，減少H出口的疏散荷載，可能效果更好。

4號(hào)線站臺(tái)層疏散口的位置調(diào)整如圖3所示。4號(hào)線站臺(tái)層中間5根結(jié)構(gòu)柱無(wú)法移動(dòng)，導(dǎo)致疏散口位置調(diào)整受限，主要考慮右側(cè)疏散口的位置優(yōu)化。通過比較圖3中不同方案，模擬后發(fā)現(xiàn)原始方案最優(yōu)(原始布置388 s，優(yōu)化方案4-a為394 s，優(yōu)化方案4-b為438 s)。

圖3 4號(hào)線站臺(tái)層疏散口的位置調(diào)整Fig.3 Adjustment on location of evacuation entrances at platform floor of Line 4

綜上，在本文案例中站臺(tái)層疏散口位置平移對(duì)疏散效率提升沒有正面效果。這是因?yàn)楝F(xiàn)有疏散口在站臺(tái)層的長(zhǎng)向分布相對(duì)均勻，且站臺(tái)層疏散口在其上部站廳層的開口位置與站廳層的高選擇度出入口B，C，E，F(xiàn)相互對(duì)應(yīng)，聯(lián)系緊密。

結(jié)合圖1可知，7號(hào)線站臺(tái)層左側(cè)2個(gè)疏散樓梯朝向(朝右)與中間層導(dǎo)流樓梯(朝左)朝向相反，4號(hào)線站臺(tái)層右側(cè)2個(gè)疏散樓梯朝向與就近出口處閘機(jī)相反，而疏散口開口朝向優(yōu)化可引導(dǎo)分流，提升效率作用。改進(jìn)后的朝向如圖4所示。

圖4 站臺(tái)層疏散口朝向優(yōu)化Fig.4 Optimization on orientation of evacuation entrances at platform floor

在原有仿真模型基礎(chǔ)上進(jìn)行疏散樓梯開口朝向優(yōu)化設(shè)計(jì)，模擬結(jié)果見表2。

表2 站臺(tái)層疏散口朝向優(yōu)化前后的疏散時(shí)間Table 2 Evacuation time before and after optimization on orientation of evacuation entrances at platform floor

由表2可知，A3工況下站臺(tái)層疏散口朝向優(yōu)化后的疏散時(shí)間為352 s，相比原始朝向減少36 s，效率提升9.3%。結(jié)果說(shuō)明，適當(dāng)調(diào)整站臺(tái)層疏散口朝向，使其與對(duì)應(yīng)疏散口、疏散設(shè)施朝向保持一致，能夠有效減少疏散總耗時(shí)，提高疏散效率。

4.2 高選擇度站廳層出入口優(yōu)化

受地面道路、建筑物位置以及經(jīng)濟(jì)因素等影響，站廳層出入口位置、開口朝向較為固定，需盡量將其疏散寬度調(diào)整至合理區(qū)間的最大值。

自動(dòng)扶梯常用型號(hào)相對(duì)成熟，且突發(fā)狀況下疏散樓梯更為可靠。供日常主要交通用樓梯的梯段凈寬應(yīng)根據(jù)其使用特征，按每股人流寬度為0.55(肩寬)～0.7 m(擺幅)的人流股數(shù)確定，且不能少于2股人流。顯然，地鐵站廳層出入口人流眾多，擺幅應(yīng)取上限值。考慮人的行為心理因素，梯段過寬緊急狀況下可能導(dǎo)致人員摔倒、踩踏，梯段凈寬達(dá)4股人流時(shí)應(yīng)為梯段寬度極限(應(yīng)加設(shè)中間扶手)[17]。

綜上，本文選擇高使用率B出入口為優(yōu)化對(duì)象，將其現(xiàn)有2 m寬樓梯(約3股人流)改為3 m寬的樓梯(4股人流)。通過模擬發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的疏散時(shí)間由原來(lái)的388 s減少到330 s。在節(jié)假日期間A3工況下，可以滿足現(xiàn)行規(guī)范疏散要求。

4.3 管理措施優(yōu)化

在突發(fā)性客流工況下，站臺(tái)層應(yīng)限制客流，具體可在站廳付費(fèi)區(qū)內(nèi)對(duì)人流量進(jìn)行監(jiān)控和引導(dǎo)，避免進(jìn)入站臺(tái)層人數(shù)超過容納警戒值，若超過警戒值，需限制人員進(jìn)入站臺(tái)層，短暫關(guān)閉閘機(jī)入口，直至客流恢復(fù)至可控范圍內(nèi)。為防止站臺(tái)層在疏散過程中因人員過多而發(fā)生擁擠、恐慌等現(xiàn)象，可增加工作人員引導(dǎo)人群疏散，從而避免疏散過程中次生傷害。除以上管理措施外，對(duì)于地鐵列車的運(yùn)營(yíng)也要做到“增加列車次數(shù)、減少間隔時(shí)間”，以此減緩地鐵站內(nèi)各區(qū)間疏散壓力[3]。

站廳層可在常見擁擠地段采取分流措施，例如安檢、扶梯前面布置導(dǎo)流欄桿，確保擁擠地段保持通行順暢，避免擁堵滯留現(xiàn)象[17]。

5 結(jié)論

1)突發(fā)性客流地鐵站點(diǎn)多為城市交通樞紐，各站臺(tái)層面積遠(yuǎn)小于站廳層面積；同時(shí)，站臺(tái)層疏散口受限較多，其數(shù)量、位置相對(duì)固定，而此類樞紐型地鐵站點(diǎn)的站廳層出口數(shù)量較多、空間分布廣。因此，人員離開站臺(tái)層到達(dá)站廳層的疏散耗時(shí)要大于離開站廳層到達(dá)安全地面耗時(shí)，前者應(yīng)為優(yōu)先優(yōu)化區(qū)間。

2)通過比較不同時(shí)期節(jié)點(diǎn)下?lián)矶虑闆r，發(fā)現(xiàn)疏散過程中瓶頸區(qū)域?yàn)榱熊囓囬T、站臺(tái)層疏散口和站廳層的高選擇度疏散口。

3)站臺(tái)層疏散口可針對(duì)空間位置分布、樓梯開口朝向等進(jìn)行優(yōu)化。站臺(tái)層疏散口應(yīng)沿站臺(tái)層長(zhǎng)邊均勻分布，且其在上部站廳層的垂直開口位置應(yīng)盡量與站廳層的高選擇度出入口相對(duì)應(yīng)；樓梯開口朝向設(shè)置應(yīng)與人員到達(dá)站廳層后的下一步疏散方向保持一致。

4)站廳層高選擇度出入口應(yīng)在設(shè)計(jì)初始盡量增加寬度至合理區(qū)間(4股人流)上限，同時(shí)，可在擁堵地段前增設(shè)導(dǎo)流欄桿，緩解疏散壓力。