轨道交通枢纽建筑动态客流模拟分析

邢家勇 冯世杰

(铁道第三勘察设计院集团有限公司城交分院,300251,天津∥第一作者,工程师)

轨道交通枢纽建筑动态客流模拟分析

邢家勇 冯世杰

(铁道第三勘察设计院集团有限公司城交分院,300251,天津∥第一作者,工程师)

基于天津站交通枢纽和天津滨海新区于家堡站交通枢纽的建筑设计及其动态客流仿真模拟的成果,对轨道交通枢纽建筑中的客流组织设计进行了分析和研究。有针对性地提出了客流组织设计中存在的问题,并对解决问题的方法进行了归纳总结。

轨道交通枢纽;客流组织;动态客流模拟

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

随着铁路大发展时期的到来,城际铁路、客运专线等项目如雨后春笋般大量涌现。集铁路、城际铁路、城市轨道交通、道路公交、出租车、私家车等多种交通形式于一体的城市大型综合交通枢纽,具有大体量、大空间以及大客流量等特点,而其建筑功能设计则集中体现在大客流量和多种交通形式的换乘客流组织上。如何使客流组织具有便捷性、均匀性、通畅性、合理性和科学性,同时在突发情况下具有安全性,是当前城市大型交通枢纽建筑设计的重点之一。

1 国内轨道交通设计中存在的不足

目前,在我国城市的大型交通枢纽建设中,主要是通过对各种性质客流的换乘目的进行分析,依据规划资料和相关设计规范的要求进行简化计算和设计。这种纯理论和利用既有主观经验的设计方法在一定程度上是满足中小型轨道交通工程的设计、建设和运营需要的,但对于城市大型交通枢纽项目的设计则存在以下不足:

(1)客流组织只停留在理论分析和简化设计层面,对各种客流之间的相互干扰无法做出准确的判断,仅能通过各种客流所占比例,人为规定出疏导客流的优先级别。

(2)对进出站大厅、换乘大厅以及连接通道等公共交通空间的容裕性缺乏科学的量化依据,使建成后的建筑空间要么局促、拥堵,要么造成浪费。

(4)对楼扶梯等竖向交通工具的布设缺乏系统性连锁反应的判断,往往某一处交通的不合理而造成整个竖向交通体系的崩溃。

(5)对售检票等公共设施以及疏导客流的栏杆围合区域的布置,采用纯主观的经验判断,造成乘客使用不畅,从而产生大面积的非正常拥堵。

2 动态客流仿真模拟的原理及流程

针对传统客流组织方式的不足,在设计领域出现了“动态客流仿真模拟”这一辅助设计手段,通过仿真模拟,可以使建筑师如身临其境般观察各种客流流线,从而改善客流组织。本文对这种设计手段的运行原理和流程进行简单介绍。

2.1 动态客流仿真模拟的原理

进行动态客流模拟的空间是建立在计算机辅助设计(CAD)基础上的。功能布局决定了枢纽内部客流组织形式。即:通常由建筑师初步确定各种客流的进出站、换乘和疏散等流线及路径,在此基础上确定出模型的基本几何框架。模拟中的每个个体在图中显示为一个色点,采用各种空间物体图例表示个体在空间内的运行及其路线信息。模拟模型应用“最小阻碍”原理对行人的活动进行仿真,即每一步都是按对行人造成最小不便来进行计算的。模拟通常采用“服务阈限等级”来表示拥堵的程度,通过不同的颜色来显示行人的密度。每一个服务等级下的拥堵程度如表1所示。

表1 交通枢纽内的服务阈限等级

通常情况下,服务水平C是高峰小时运营情况的最低目标。这就意味着在交通枢纽内要尽量减少D级(含D级)以下服务水平区域。

2.2 动态客流模拟的流程

首先,对预测的客流数据进行梳理归纳,形成模型的需求数据,包括模型区域内行人的数量和类型、出发和到达的时刻,以及各种类型的行人在模型环境中起、终点情况等;同时对不同类型的行人的等候、行走和排队等特征进行分析,以便对仿真模型中和行人活动有关的参数进行准确的标定。

其次,需要对乘客行程路线和流线、列车的运行频率、相关设备的服务能力(如自动扶梯检票口和闸机等)、旅客类型(具体如东方人群、欧美人群等的特性)、旅客购票行为、乘客候车及上下车的分布特点等进行合理的设定;此外,对车站发生火情或其他紧急情况下的人流组织信息也需要进行合理的设定。

祝国寺还是东川区的民族团结进步示范单位。东川是多民族聚居地，因此佛教也是很多民族群众的信仰，其中布依族聚居社区就有两个小庙，也在祝国寺的辐射带动下维持了良好的和谐局面。

最后,根据以上内容模拟出各种客流的状态,并根据等级指标,利用模拟出的平均乘客密度、紧急疏散时间分析等对服务水平进行评价和绩效衡量;进而提出修改建议并结合修改后的方案进行客流模拟及验证,比较改善前后的效率差,为修改后的方案提供理论支撑,达到优化设计的目的。

3 应用实例

已建或在建的大型综合交通枢纽如北京南站、天津站、天津西站、于家堡站、上海虹桥站等,其共同的特点是:涵盖了高速铁路、地铁、道路公交、社会车辆停车场、出租车场等多种交通形式,以及配套服务、景观等附加功能;客流量巨大,流线组织复杂。为提高客流组织设计的科学性,这些枢纽均采用了动态客流仿真模拟的设计方法。本文结合天津站和于家堡站交通枢纽中采用动态仿真客流模拟方法进行设计的实际经验,进行分析、归纳和总结,以期在今后相关工程设计中能提供一种科学合理的设计思路。

3.1 天津站大型交通枢纽工程

3.1.1 建筑方案设计

天津站是京津城际铁路的重要枢纽之一,同时也是天津市公共交通网络的中心节点。枢纽内主要包括:京津城际铁路,普速铁路,天津地铁2、3、9号线,3个社会场停车场,3个出租车停车场,2个道路公交中心等。建成后的天津站将成为包含地上二层、地下四层共约48万m2的重要区域交通枢纽。其建筑方案详见图1、2所示。

图1 天津站北广场效果图

在天津站交通枢纽方案设计初期,对城市轨道 交通中常见的客流组织问题均有涉及。特别是在3条地铁线车站的进出站客流、换乘客流,以及地铁与其他交通方式换乘客流的组织方面,存在通过传统分析方法无法解决的问题。

图2 天津站北广场平面示意

3.1.2 客流疏导的优先级别

在设计初期,对于客流疏散,理论分析是客流量多的区域其疏散难度最大。但通过仿真模拟分析,发现实际情况与理论分析存在一定的差别。

交通枢纽地下三层在进行最不利情况疏散模拟时,首先对正常工况下地下各层人数进行统计分析,发现各个区域到达客流高峰的时间并不相同(如图3)。人数最多的是区域一,约占总客流的44%;区域二内乘客人数波动较大,约占总客流的29%;区域三负担乘客数量较低,约占总客流的18%;区域四只负担地铁9号线一个方向的下客,约占总客流的10%。

经过仿真模拟分析,区域二承担地铁2号线一个方向的上、下客功能和地铁9号线一个方向的下客功能,且只有3组通道和地下二层连接。虽然区域二的客流不是最大,但在模拟中发现该处确实存在较大的安全隐患。通过尽量增加楼扶梯的数量,在120 m长站台范围内设置3组(包含2部扶梯和1部楼梯)竖向交通,最大程度地优先提高该区域的客流疏导功能。

图3 地下三层乘客统计区域划分及乘客数量统计示意图

3.1.3 空间的容裕性分析

在方案设计初期,对地下一层的建筑空间进行了布置,主观规划了客流走向;后通过客流仿真模拟分析,看出乘客会选择最短路径至地铁自动扶梯。结合模拟情况深化设计后,对初期的建筑布局进行了局部调整,扩大了走廊周围拐角可视范围,使客流更加顺畅;同时在客流利用率较低的区域布置了配套服务区,充分、合理地利用了建筑空间(如图4)。

3.1.4 对楼扶梯等垂直交通的分析

地下四层为地铁3号线站台层,最初设计在长120 m、宽16 m的岛式站台上,靠近两端分别布置一组两上一下和两下一上各三部自动扶梯,站台中间布置一部楼梯。通过动态客流模拟验证,该设计存在较突出的客流冲突问题:往来于地铁3号线的乘客量巨大,下车乘客分别拥堵于两组扶梯处等待乘上行扶梯离开站台,但短时间内乘客无法全部疏导,致使每组下行扶梯上的乘客无法离开扶梯,从而产生运营安全隐患。(图5的较深区域是客流拥堵的区域 ,下同。)

图4 交织区平均密度分析图

图5 天津站地下四层3号线站台初步方案模拟图

根据以上模拟情况,对楼扶梯布置进行了调整,将扶梯均匀分布到站台上,且均为两部扶梯中间夹一部楼梯的成组方式。从修改后方案的模拟情况来看,自动扶梯周围大面积的拥堵已不存在,且客流不再集中于站台的某一区域,而是均匀分散到整个站台;3组楼扶梯的客流量分布也比较均匀,自动扶梯口的上、下乘客之间的冲突已大为减小(如图6)。

图6 天津站地下四层3号线站台调整方案模拟图

3.1.5 公共设施布置分析

对地下二层平面布置进行客流仿真模拟(见图7)可以看出,通往地铁的自动扶梯、进出站闸机等人员使用频繁的公共设施处,都不同程度地出现了拥堵现象。

结合模拟中发现的问题,对原先的楼扶梯成组方式进行了优化,增加了进出站闸机数量,并将公共大厅里的栏杆拐角进行顺滑布置。对调整方案进行客流仿真模拟,可以看出情况已得到改善,调整方案极大地缓解了局部客流的拥堵(见图8)。

图7 天津站地下二层初步方案模拟图

图8 天津站地下二层调整方案模拟图

3.2 京津城际延伸线于家堡站交通枢纽工程

该枢纽位于滨海新区的于家堡商务中心区,是集城际铁路、地铁、道路公交、出租车和社会车辆等多种交通方式于一体的又一综合性的交通枢纽,是国内第一批正在建设中的地下铁路站房枢纽。枢纽内主要包括京津城际铁路,地铁 B1、B2、Z1线,社会场停车场,出租车停车场,公交中心和枢纽控制中心工程。建成后的于家堡站将成为包含地上一层、地下三层,总建筑面积约28万m2的超大型地下交通枢纽(见图9)。

图9 于家堡站剖透视效果图

借鉴天津站交通枢纽工程采用客流仿真模拟手段进行设计的经验,在本工程建筑方案设计之初,即对可能出现的各种问题进行了思考和研究,以避免雷同问题再次发生。从对首轮建筑方案进行客流仿真模拟的结果看,除极少数因某些方案特殊性而产生的客流组织问题外,建筑最初方案及客流组织均较好地满足了安全、便捷疏导客流的需要(见图10)。

图10 于家堡地下一层客流模拟密度及空间利用图

4 结 语

虽然上述分析研究仅包括天津站和于家堡站交通枢纽客流仿真模拟中的一部分内容,但却基本可以涵盖轨道交通枢纽客流组织设计的常见问题。在综合交通枢纽建筑设计中,利用动态客流仿真模拟这一手段是科学和合理的。

综上所述,客流仿真模拟可在工程建设实施前通过“实时”动态模拟,对建筑空间使用、客流分布密度、紧急疏散等进行场景演示,并在验证建筑方案的合理性、充分利用建筑空间、优化建筑功能布局和流线组织等方面具有实用价值。动态客流仿真模拟将极大提升建筑师的设计理念和建筑细节把握能力。随着城市的不断发展以及服务水平的不断提升,将形成越来越多的轨道交通网和交通枢纽,建设规模越来越大,建筑功能越来越复杂。在各种人流密集的建筑如机场、体育馆、博物馆、剧院、旅游景区等工程的设计中,均可以采用动态客流仿真模拟,以完善建筑功能和客流组织设计。

[1]GB 50157—2003地铁设计规范[S].

[2]GB 50490—2009城市轨道交通技术规范[S].

[3]GB 50016—2006建筑设计防火规范[S].

[4]施仲衡.地下铁道设计与施工[M].西安:陕西科学技术出版社,1997.

[5]李小江.城市轨道交通技术规范实施指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[6]铁道第三勘察设计院.天津站交通枢纽动态客流模拟报告[R].天津:铁道第三勘察设计院,2007.

[7]铁道第三勘察设计院.天津于家堡火车站枢纽客流模拟报告[R].天津:铁道第三勘察设计院,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)