轨道交通站点周边土地利用优化分析——以上海轨道10号线五角场站为例

宋 珂，周 锐，林宏志，苏海龙，王新军

（1.复旦大学 环境科学与工程系，上海200433；2.上海复旦规划建筑设计研究院，上海200433）

近年来，随着城镇化进程的加快及机动化水平的迅速提高，上海市城市交通需求规模急剧扩大.根据第三次、第四次上海市综合交通调查结果可知，2010年全市每日出行总量达到4.54×107人次，较2004年增长11%，居民机动化出行方式比重从28%提高到40%.小汽车拥有量自2004年以来年均增长12.4×104辆，私人小汽车注册量接近1.01×106辆，即平均每5户拥有一辆小汽车.小汽车使用强度较高，平均每车每日行驶39km，这大约是伦敦的1.3倍、东京的2.1倍.居民机动化出行距离持续增长、城市土地蔓延式扩张、城市交通堵塞、能源紧张、环境污染加剧等，成为上海城市快速发展中凸显的一系列问题.

为突破上海城市发展所面临的土地资源、能源及环境容量的制约，必须转变发展模式，积极谋求资源和环境约束条件下城市和交通的可持续发展.轨道交通建设已成为一个战略性的重大举措.它具有速度快、时间准、运量大、能耗低、安全平稳的特点，既方便人们出行，又有利于引导城市空间合理地拓展，突破传统单中心的城市空间结构，带动居住、就业的有机扩散[1].

交通方式历来都是城市用地特定形态形成的重要诱导因素，反过来，特定的交通方式也需要相应土地利用形态的支持.国外交通建设经验表明，轨道交通对城市空间结构的影响主要是通过其站点地区来体现[2]，轨道交通不仅增加了站点地区的可达性，也改善了站点周边土地的区位条件，而土地利用状况反过来又会给轨道交通提供充足的客源.

在世界各地寻求交通和城市可持续发展的努力中，城市公共交通与土地开发整合的发展模式已受到广泛推崇[3].以公共交通为导向的发展（Transit Oriented Development，TOD）模式以其土地资源集约、生态环境友好、交通系统高效等特点，成为未来城市和交通发展的必然选择.上海现在正处于轨道交通大规模建设时期，香港、东京等城市的经验表明，轨道交通大规模建设时期恰恰是推进TOD模式的最佳时机.

TOD模式由Peter Calthorpe提出，强调土地的混合利用.主要指以公共交通枢纽和车站为核心，在半径不超过600m的步行环境中，倡导高效、混合的土地利用，同时其环境设计是行人友好的[4，5].如图1所示，一个典型的TOD地区由公共交通站点、核心商业区、办公区、居住区、公共开放空间和次级区域等组成.它基于公共交通引导土地开发，促进城市空间的合理有序增长，为城市提供了一种新型土地开发模式.它既适用于城市边缘区的开发，也适用于建成区的再开发[6].

TOD理论和实践的发展过程中，形成了3项基本规划设计原则，即高密度（Density）开发、多样化（Diversity）土地利用以及良好的设计（Design）.

1）高密度开发 TOD模式最基本的特征是开发密度较高，用地布局紧凑.密度的提高可以缩短出行距离，增强土地使用效率，遏制无序蔓延.一定的居住、就业密度既可保证公共交通所需的客流量，又能支持TOD地区内商业、金融等活动所需的消费市场[7].规划管理对站点周边土地开发利用的关键控制要素在于土地利用性质和土地开发强度（容积率），用地性质决定地块适建的建筑类型，土地开发强度（容积率）则反映建筑物量的规模[8].

2）多样化土地利用 站点附近多样化土地类型的混合布置，可以实现多重目标，如增加就业需求、活跃地区氛围、平衡居住就业、减少小汽车出行等.

3）良好的设计 TOD设计原则以行人为本，强调精心设计步行系统和公共交通系统，营造良好的步行环境.

图1 典型的TOD用地结构模型Fig.1 A typical land use structure model of TOD

1 轨道交通站点分类及其影响范围

国外TOD理论提供了轨道交通站点地区开发的一般性设计框架.由于轨道交通站点所处区位不同，受到城市功能、用地格局等因素的影响不同，因此TOD模式的站点地区用地布局会出现差异性.结合国内城市轨道交通建设情况与城市发展状况，将轨道站点地区分为4种类型:公共中心区、交通枢纽区、成熟居住区、城市外围区[9].

要研究轨道交通站点地区的土地使用特征与模式，首要前提是确定站点地区的边界.本文根据相关经验[10]，从实用角度出发，选择以步行半径确定站点地区范围的标准，即以站点为圆心，500m（10min的步行距离）为半径作为研究范围.

2 基于TOD理念的多目标决策模型的建立

国内外学者对TOD的理念与规划方法研究较多，如Calthorpe[11－14]等，但基于TOD模式构建的用地规划模型极少.要将该模式落实到土地利用优化上，最终要通过高密度开发、土地混合利用、良好设计三个原则的综合兼顾来实现.

本文参考相关文献[15，16]，以站点周边地区的高密度开发来增加公共交通系统运量，以站点周边地区环境品质的提升来保证该地区的环境质量，以均衡土地混合利用来减少区域出行总量，由此确定3个目标函数，以不同类型用地的容积率为决策变量，建立多目标决策模型来协助决策者进行各种类型用地的容积率设计.

2.1 基本假设

1）站点地区各类用地面积已经确定，本模型在此基础上进行优化；2）站点周边使用轨道交通出行的人，均从本站出发；3）根据国内城市用地分类标准，可对居住用地、公共设施用地（本研究中主要指行政办公和商业金融两种用地类型）两大类用地进行容积率优化；具体应用时，可调整分类或合并相似用地类型.

2.2 决策变量

本研究以各类型用地的容积率作为模型的决策变量.容积率作为土地规划利用的综合控制指标，不同于绿地率、建筑密度等形态控制指标，它是把握城市人口、城市建筑和用地3种规模，以及协调经济、社会、环境3种效益的交汇点.它通过比值方式来计算，指标较为简洁明了.

2.3 目标函数

目标Ⅰ 加大轨道交通的运量.根据TOD的高密度特征，站点周边用地的高密度开发可带来较多活动，进而加大轨道交通的运量.如果仅追求运量最大化，伴随的密集人流和噪音会给区域周边生活环境带来负面影响，发展密度的提高也会影响最初的土地利用均衡程度，因此，需要衡量3个目标的重要程度并综合考虑.

式（1）中:Z1为衡量交通运量的指标（m2·次／人）；X为容积率；L为各类用地总面积（m2）；r为居住用地；c为公共设施用地；i为居住或公共设施用地中的第i种用地类型；Tri为第i种居住用地上每居住人口的日均出行次数（次／人）；Tci为第i种公共设施用地上每个岗位产生的日均出行次数（次／人）；kri为第i种居住用地上居民出行使用轨道交通的比例；kci为第i种公共设施用地上出行者使用轨道交通的比例.

目标Ⅱ 营造规划区域良好的环境.采用市政设施、绿地及道路广场的用地面积和与居住和商业办公类用地的总建筑面积的比值来表示，该值越大，表明市政设施及绿地所占比例越高，环境品质越良好.

式（2）中:Z2为衡量环境品质的指标，即其他用地总面积与居住用地建筑面积及公共设施用地建筑面积总和之比；e为其他用地，包括市政设施用地、绿地及道路广场用地.

目标Ⅲ 均衡的土地混合利用.分别以类似成熟站点的土地利用情况、其他用地（包括市政设施用地、绿地及道路广场用地）情况为参照值，使研究站点与参考站点的差别最小.该值越小，表明研究站点地区的土地混合利用发展趋势越好，环境设计越合理.

式（3）中:Z3为衡量土地混合利用的指标，即研究站点与成熟站点土地利用情况、其他用地情况差值的绝对值之和为参考站点的居住用地建筑面积及公共设施用地建筑面积总和与各类用地总面积的比值为居住用地建筑面积及公共设施用地建筑面积总和与其他用地总面积（包括市政设施用地、绿地及道路广场用地）的比值.

2.4 约束条件

1）容积率管制 过高的容积率会导致开发过度，引发环境破坏和市场供需失衡.根据文献[16]的研究成果，采用现行规范的上限值为本研究的下限值，采取现行规范上限值的1.4倍为本研究的上限值.

2）站点类型的功能限制 不同的站点类型承载着不同的职能.以公共中心站点为例，其核心职能是形成区域中心，带动区域发展.因此，此类站点周边土地的利用应以具有吸引效应的公共设施用地开发为主，居住用地开发为辅，前者的开发强度不低于后者.

3）现状环境品质的制约 以现状居民人均其他用地面积（包括市政设施用地、绿地及道路广场用地）为下限，确保优化后居住环境品质有所提高；以现状教科文卫建筑面积与居住用地建筑面积比值为下限，使得优化后土地利用更均衡.

2.5 多目标决策模型

多目标决策是在一组约束条件下，同时对多个目标求最优解.在实际的多目标决策问题中，各目标之间通常存在冲突，要找出所有目标都达到最优的解很难，大多情况下，这样的解根本不存在.本研究中的3个目标即是存在冲突的.追求交通运量的最大化，会导致环境品质受损，对土地利用的均衡配置会有一定影响；追求环境品质最佳，则必然会降低开发密度，不能保证TOD所必需的活动量，土地利用均衡不够；追求土地利用最平衡，则会减少运量，环境品质不能保证最佳.因此，可行的做法是针对具体情况，根据决策者的需求将这些目标分出主次，或根据这些目标的轻重缓急不同，区别对待.突出主要目标，而将次要目标转化为目标约束，求出满意解.

以轨道站点周边土地利用追求目标Ⅰ最优化为例，此时目标Ⅱ、目标Ⅲ成为次要目标，并转换为目标Ⅰ的约束条件.即在满足次要目标的最基本条件之后，追求目标Ⅰ的最大化，模型如下:

约束条件如下:

上式中，α，β分别为目标Ⅱ和目标Ⅲ的具体约束值（本研究中分别取现状环境品质Z2和现状土地混合利用程度Z3的90%作为约束条件的临界值）.本文研究TOD问题的数学规划模型可以转换为MaxZ1；式（10）～（16）式为约束条件，这是非线性单目标规划模型，本研究采用R语言的最优化函数进行求解.

3 实证研究——五角场站周边用地开发分析

3.1 五角场站所处线路简介

上海轨道10号线，编号 M1，是上海市轨道交通网络中的重要骨干线路.10号线一期由新江湾城站至虹桥火车站站，长31.254km，支线由龙溪路站至航中路站，长4.967km（见图2）.由于沿途经过新天地、豫园老城厢、南京路、淮海路、四川路、五角场城市副中心等上海中心区域，因此被称为上海市“最黄金线路”.

3.2 五角场站周边用地情况

五角场站是上海轨道10号线上第5座车站，车流、人流及地下管线密集.站点位置位于杨浦区四平路邯郸路地下，是五角场五层环岛枢纽中的地下三层.五角场站周边用地处于江湾－五角场副中心区域内.该站周边商业、办公、金融、住宅用地密集，而且大型商业设施较多，例如东方商厦、苏宁电器广场、百联又一城、上海万达商业广场、上海大西洋百货等.

由于TOD模式下站点的合理研究范围为500m[9]，所以本次以五角场站500m为半径画圆，红线范围内确定为本次的研究范围（见图3），该范围内的现有用地情况作为本次研究现状资料.

3.3 五角场站周边用地优化分析

1）站点定位与现状分析 在《上海市城市总体规划（1999～2020年）》中，江湾—五角场被列为4个副中心之一，主要服务城市东北地区，因此，五角场站属于典型的公共中心站点类型.公共中心区站点的特点是周边地区人流密集、开发强度较大.站点周边聚集大量商业娱乐、公共服务设施，大型公共建筑较多，公建用地比例高.这类站点地区规划的目标是以轨道交通带动城市土地综合开发形成的区域中心，保证地铁站与邻近商业办公、公交设施的紧密联系，鼓励地铁车站与周边建筑的一体化建设，提供便捷、通达的步行环境和高质量的公共空间[17].

根据表1可以了解上海五角场站不同半径影响范围内的用地结构.商业金融和其他用地（包括市政设施用地、绿地及道路广场用地）为主要的用地构成，100m半径范围内分别达到44.78%和31.38%，文教用地、行政办公及混合用地分别为11.45%、6.61%、5.79%，这里混合用地类型为商办混合用地；200m半径内居住用地比例有所增加，文教用地上升到17.27%，商业金融和行政办公分别下降为33.89%、3.97%，混合用地以商办混合为主，商住混合为辅，比例下降为4.84%；500m半径范围内，居住用地比例继续呈上升趋势，高达18.50%，行政办公用地比例增至7.55%，空地比例增至7.69%，商业金融用地比例随着与站点距离增加逐步降低为19.74%，文教用地和混合用地呈下降趋势，其中商住混合用地有所增加，其他用地类型呈上升趋势.

从图4中可以看出，随着半径范围的扩大，与轨道交通站点的距离增加，商业金融用地、混合用地这些高强度开发的用地比例逐步下降，而开发强度较低的居住用地甚至尚未开发的空地逐渐增加.这说明，该站点地区总体符合0～100m范围内相对高强度开发，100～500m范围内土地利用开发强度逐步降低，呈现出开发强度随着到站点的步行距离变大而逐渐下降的特点.研究区域的特点是:商业发展已经形成规模，但功能层级不清，商业业态较为单一；步行系统与步行空间衔接不畅，地铁覆盖密度不大，环岛交通压力较大，具有较大的优化空间.

表1 五角场站周边不同半径圈层用地结构表1）Tab.1 The land use structure in different radius around the Wujiaochang Station

图4 五角场站周边现状用地构成比较Fig.4 The land use structure around the Wujiaochang Station

表2 五角场站点500m半径范围内用地分析表1）Tab.2 The land use statistics within a radius of 500 meters around the Wujiaochang Station

研究区域的现状用地情况如表2所示，由此可知，轨道交通五角场站地区内，居住、行政办公、商业金融、文教、混合用地（商业办公混合、商业居住混合）、空地或工地、其他用地面积分别为14.53，5.93，15.5，8.35，3.42，6.04，24.78hm2.

2）参数确定 由表2可知，五角场站地区内各类型用地面积.按照《上海市城市规划管理技术规定》，内外环之间的居住用地容积率管制取2（200%），商业办公用地取3.5（350%），则这两类用地容积率的优化范围为:2～2.8，3.5～4.9；结合五角场站现状情况，居住人口使用轨道交通的比例取8.1%，公共设施用地上出行者使用轨道交通的比例取14.3%；由于数据来源的限制，各类土地上的交通生产量按照上海市的平均值计算，居住人口人均次数取2.21次，每岗位产生的日出行次数取3.32次；由于徐家汇与江湾—五角场并列为上海副中心，且开发时间较早，开发效果显著，是上海著名的商业中心之一，因此参考站点选取徐家汇.根据实地调研数据测算，徐家汇站为1.98为5.58.居住用地上人均居住的建筑面积参考《2009年上海市国民经济和社会发展统计公报》发布的数据，取34m2／人；现状人均其他用地面积取5.91m2／人；现状居民人均市政设施用地、绿地面积及现状教科文卫建筑面积与居住用地建筑面积比值按照表2计算得到.教科文卫用地，由于缺乏相关数据，所以本次研究中没有涉及；混合用地由于土地利用情况复杂，开发强度已经较大，优化潜力较小，故维持现状.

3）优化结果 根据上级规划的目标可确定五角场站属于公共中心站点，因此，该站点周边地区应该以提高开发密度，增大交通运量为首要目标.在模型的优化过程中，考虑在满足目标Ⅱ和目标Ⅲ的最低要求下，优先追求目标Ⅰ的最大化.根据现状的约束，可知Z2≥0.173 7，Z3≤0.678 6.

以目标Ⅰ为目标函数，将目标函数Ⅱ和目标函数Ⅲ转换为约束条件，利用R语言的最优化函数进行求解.优化后，居住用地的容积率满意解为2.63，行政办公用地的容积率满意解为4.81，商业金融用地的容积率满意解为4.9，目标Ⅰ的函数值为564 241.7.

五角场周边用地现状容积率与满意容积率进行对比结果见表3，可以清晰地看到目前的居住、行政办公、商业金融用地的开发强度相比TOD模式下的高密度还有一定的差距，开发潜力较大.

表3 现状和满意容积率对比Tab.3 The comparison between the present floor area ratio and the optimized solution

4 结果与分析

模型中采用各类用地的容积率作为决策变量.由于取现状容积率上限作为TOD模式下轨道交通站点周边用地容积率范围的下限值，其值的1.4倍为上限值，所以在模型计算时保证了较高的容积率指标，符合TOD模式下站点周围地区高密度开发的要求，增强了土地使用效率，保障了充足的客流资源.

从表3可以看出，居住用地满意容积率有所提高，这说明现状居住用地开发强度比TOD模式下的轨道交通站点所需要的开发强度略低.结合对五角场站周边用地的实地调查，周边居住用地多为多层住宅，建筑形态单一，空间结构单调，且高层、小高层、多层混合的混合小区很少.五角场地区可以利用现有的空地规划高层居住小区，逐步替代老式居住楼，提高站点周边的居住密度，设计出更多具有整体美感的、建筑空间格局丰富的、利益达到最大化、环境达到最优化，并适合长期居住的小区.

办公用地现状平均容积率3.2，优化过后达到4.81，这是由于五角场站周边用地中规划办公用面积较少.高密度用地适合布置在最舒适的步行距离内，因此站点200m半径范围内应做高密度开发.根据实际调研，站点附近200m范围内，行政用地比例仅占3.97%.站点现状说明行政用地面积规划过低，提供的就业岗位不够.长此以往，这会使职住失衡，并且导致通勤距离拉长、出行时耗与机动车的使用率增加.

商业金融用地经调整后，达到商业用地容积率的上限值4.9.作为城市副中心的五角场地区土地使用规划决定了江湾―五角场地区未来的开发是高强度的.据现状调查，500m内的商业用地比例为19.74%，参考表4可知，商业用地的比例应得到进一步提升，为区域内部提供购物、娱乐和广场等公共设施，以保障居民日益增长的购物娱乐需求，更好地服务于上海市的东北地区，分担中央商务区的功能.

目前，国内外对TOD模式的研究主要集中于定性分析方面.本研究基于城市轨道交通站点多目标决策模型，结合站点周边用地现状，创新性地对上海五角场站周边用地进行定量的优化计算，并得出容积率设计的满意解.但同时也要注意，该多目标决策模型只是一种对现实的模拟情景规划.单从城市规划的角度看，五角场站周边地区自身的开发强度已较高，但是相对TOD模式的要求仍有一定差距.因此，本决策模型主要是提供一种定量的分析方法，其结果可以为规划决策提供参考.

TOD模式被公认为是实现城市可持续发展的有效策略，在世界范围内存在不少成功的案例，其所产生的综合效益是多层次的长期的.要想改变目前面临的城市蔓延、交通拥堵和环境污染等境况，我国有必要采用TOD模式，通过合理的城市规划及大力发展公共交通，为人们提供方便使用公共交通的、功能混合的、环境优美的城市用地布局，促进城市的健康、可持续发展.

表4 TOD中合适的土地使用混合比例[6]Tab.4 Appropriate land use mixing ratio in transit oriented development mode

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