学术观点 | 基于行人流仿真的地铁交通空间城市设计探索

    在以往的规划设计中交通空间过于强调机动化主导的理念，重视交通工具的需求而忽略人的需求，重视高速交通而忽略慢行交通，重视系统内部自成一体而忽视与城市功能的互动，导致交通和城市空间无法有效融合，而宽马路、大街坊的交通格局更是削弱了城市活力、交通效率和城市特色。论文从微观尺度的交通空间研究切入，以广州白云新城的地铁站点优化为例，通过Building EXODUS软件模拟行人和出入口之间的步行动线，以步行动线为依托组织设计站点周边的步行空间形态，探索如何围绕站点构建人本尺度、高效紧凑、品质活力的公共交通空间。以此推动周边存量和增量土地的功能优化，达到真正由公交核心带动地区发展的目的。

1.1背景意义

    在全国城镇化率突破50%大关之际，城市工作和城市规划作为热门关键词频繁进入公众视野，也上升到国家层面关注的重点。而交通作为城市的重要组成要素，交通拥堵一直是大城市病的首要症结，本文重点从交通空间设计的角度探讨交通问题的解决途径，而首先交通空间设计的意义主要体现在以下三个方面：

    （1）优化以人为本的交通空间是体现城市空间全面高效运作、塑造街道活力的重要支撑。2015年中央城市工作会议上指明了要转变城市发展方式，城市工作需要重视从空间上进行全面统筹。而随后发布的《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》文件更为城市规划指引了新的发展路径，首次从空间层面提出推广街区制，提倡“窄马路、密路网、开放街区”，转变原先重视交通工具的活动空间而忽视人的活动空间、“宽马路、大路网”的交通模式。

    （2）交通空间城市设计是整合城市空间资源、激活存量土地综合效益的重要抓手。在城市规划由增量规划向存量规划转型的大趋势下，物权意识的觉醒和人地矛盾的凸显，土地资源越来越匮乏，如何实现存量空间资源的提质和增效成为增强城市竞争力的重要命题，交通空间作为城市政府所有的稀缺空间资源，具有线性网络和点状辐射的特征，基本覆盖城市公共空间，需要以此为依托全面提升城市公共空间的使用效率和环境品质。

    （3）专项城市设计是广州实现城市规划科学管控的主要工具。广州市是《全国城镇体系规划纲要（2010—2020年）》明确提出的五大国家中心城市之一，加快建设国家中心城市是加速我国现代化、国际化的必然趋势，广州可以通过城市设计管理在设计标准、建设质量、管理水平等方面实现精细化、品质化。

1.2各层面的功能作用

    宏观层面，交通空间应强化功能复合，成为引导周边城市发展的新引擎。根据反磁力吸引体系理论，白云新城、南沙新城等作为广州市城市副中心，主要功能是分散中心城区人口，减低中心城区的功能密度、交通密度、人口密度。从交通发展理念出发，通过TOD核心打造形成若干个功能复合的反磁力中心。

    中观层面，交通空间应优化使用效率，成为城市活力的纽带。在新城开发中，土地使用功能单一，车行道尺度过宽，以及建筑退缩道路红线的距离过大，导致高等级道路成为城市功能的隔离带，城市的活力受到极大减损。

    微观层面，交通空间应强化人性化，成为高品质的城市公共产品。在城市公共生活中，交通空间是人使用频率最高、体验最直观的公共空间，但以往的交通设计更强调机动化功能，也就是交通工具的使用效率，而缺乏空间设计，尤其是结合人的需求和个体的体验的空间设计。本论文重点从微观层面探讨交通空间城市设计。

1.3现实问题引出

    1.3.1重视机动交通，轻视慢行交通

    城市道路盲目拓宽车道，挤压慢行空间。近年来小汽车保有量剧增，为满足小汽车交通需求，许多城市在改造旧城和新城建设盲目将机动车道数设定为8-10条甚至更多，相反人行道和非机动车道的通行宽度不足、连续性差、过街难度大，尤其是交叉口渠化设计加快了机动车通行速度，但也导致人行过街距离加大，等待时间拉长，人行过街效率和安全性大打折扣。行人的慢行体验差导致户外活动和出行的减少，也影响了街道活力和商业氛围。

    1.3.2地铁站点与周边慢行空间未衔接，实际服务范围不足

    规划确定地铁站点的服务范围时，以人行适宜距离500m、人行极限距离800m为参考值，习惯以车站为中心点划定500m、800m半径的圆形区域作为站点的核心区和影响区[注1]，但通过现场调研发现，规划的站点服务范围设定过于理想化，实际站点的可达性受到道路割裂等因素影响而削弱。特别在一些城市中心区的边缘地区，由于站点出入口少、交通性干道交杂、过街设施不足、城市支路缺乏、各权属用地之间设立围墙壁垒等问题，导致行人无法快速的穿越干道和权属地块到达地铁站点，而绕道增加的时间成本无法满足其长期通勤需求，转而选择公交车、的士等其他出行工具，导致周边道路车流量有增无减，因此可以说地铁站点可达性弱间接加重了道路交通拥堵情况。

    1.3.3交通专业重视系统构建，轻视空间设计、品质管理

   交通规划强调宏观层面综合交通系统的构建，但大多忽略了微观层面人的体验感，缺乏近人尺度的交通空间设计。随着城市设计的多年探索实践，逐步由过去注重效果展示、视觉冲击的城市设计，转变为以人为本的生活空间设计，曾经流行的大广场、大轴线、大洋怪建筑是城市间的恶性竞争，都是脱离了人类需求的城市空间，城市设计回归以人为本，创造令人愉悦的城市空间。因此交通规划和城市设计融合是未来发展的趋势，也填补交通规划的空白。

    论文在分析相关研究的基础上，探索以“流”主导“空间”的设计方法引入城市设计，改变以往城市设计中重视”物”空间的设计，而轻视空间主体“人”流线的研究。论文重点基于行人流线确定地铁交通空间的形态和规模，即流动空间设计主要包括以流定性和以流定量两方面。

2.1研究的目的

    流动空间设计对传统空间设计产生的影响主要是：（1）强调空间可达性，用流动性主导空间，突破实体空间的割据制约；（2）改变空间区位，弱化距离主导的绝对区位，强化时间主导的相对区位。

    论文通过流动空间设计应用重点解决两个问题。第一通过模型仿真建立行人流动线，结合既有条件提出合理化的方案，优化步行空间形态布置；第二通过行人流量化分析，充分考虑行人通行速率和空间感受，控制步行通道的形式和尺寸。

2.2研究思路

    2.2.1思路

    论文试图基于交通预测和模拟，通过building EXODUS软件和GIS对行人流进行分析，揭开城市空间中人活动的实际需求，影响道路和轨道站点等交通空间的流线和空间设计，实现以地铁站为核心的地上地下交通空间一体化设计，达到以人为本、公交引导发展的目标。此外，设计方法并不注重一个结果，而是形成螺旋式上升的循环过程，建立现状流空间模型和规划流空间模型，指导空间形态设计，再通过规划情景模拟推演，找出流动空间的负面影响因素，对空间设计进行评价和反馈，最后达到对需求的回归。

    2.2.2 研究方法应用

    （1） Building EXODUS软件的应用方法

    Building EXODUS是应用最新的人员疏散理论，对紧急情况下人员疏散进行模拟的软件。软件最大的特点是通过研究逃生时人的心理和行动特征，模拟逃生人群寻找逃生路线的轨迹和路径。它包括了每个人员的相互作用力、社会学特性、对建筑物的熟悉程度、活力以及忍耐力等非常全面的参数。论文可结合逃生人群和通勤人群对通行效率需求大的共性特征，基于单向行人流仿真，模拟现状、理想状态、优化后的地铁站点步行环境和时间，进行比对分析后确定步行廊道改善的影响和作用。

    （2） 可达性分析方法——网络分析法

    可达性是指从空间中任意一点到达目的地的难易程度,反映了人们到达目的地过程所克服的空间阻力(spatial resistance)大小,常用距离、时间和费用等指标来衡量[注2]。可达性被国外广泛应用于城市交通设施和公服设施分布合理性研究。目前可达性研究方法有缓冲区法、统计指标法、费用加权距离法、最小距离法和引力模型法等。这些方法通过从不同角度反映了交通设施的空间可达性,但都存在一定的分析误差和偏离，对实际案例中出现的问题得不到合理精准的回应。其中缓冲区法和最小距离法忽略了到达目的地过程中的物理障碍,对交通设施的可达性产生极大的误差；而引力模型法和费用加权距离法缺乏对到达目的地的真实路径判定,分类分析的主观性较大。网络分析法以道路网络矢量数据为基础,通过精细化和精准化的分析，能更为真实地评价交通设施的可达性。[注2]

    网络分析(Network Analysis)是对地理网络,城市基础设施网络进行地理化和模型化,其理论基础是图论和运筹学,主要用于资源的最佳分配,最短路径的寻找等。一个基本的网络主要包括中心(centers)、连接(links)、节点(nodes)和阻力(impedance)。本论文中,中心代表地铁站,以点要素的形式表达。[注2]

2.3研究对象

    研究选取地铁二号线飞翔公园站周边片区（约15min步行时间）为研究对象，飞翔公园站是白云新城南部门户站点，位于火车站商贸片区北侧，临近白云新城的商业中心。站点属于城市组团级站点，轨道影响区是以商业功能和城市内部交通功能为主导的片区，轨道核心区内未来将集中大型商业综合体、企业总部和大型城市公园，站点外围分布萧岗、棠景、远景、景泰街等大型的城市社区，常住人口规模超过40万，该类型片区的出行需求为上下班通勤和商业通行需求，因此飞翔公园站作为生活服务为主的地铁站，对于此类站点，如何提升交通衔接效率和交通空间品质至关重要。

   模型根据站点地区的出行特征，以假定方式进行仿真模拟。方法主要是设定两组对向行人流，其中组1由家出行上班，起止点为住宅至地铁站点，组2由地铁出行上班，起止点为地铁站点至岗位所在地，行人平均步行速度约为4.5公里/h，模拟高峰小时通勤行人流轨迹。高峰小时人流规模根据飞翔公园站两个出入口闸机（A、B出口）刷卡数据抓取，显示站点全日平均集散量超过5万人次，高峰小时集散量约为8000人次[注3]。

再通过GIS软件运算明确地铁站步行可达范围的地块，以交通出行方式分析、职住平衡指数等权重，确定规划各地块出行人口比重和潜在人流量。

3.1理想状态行人流仿真模型

    参数设定后模型模拟理想状态下的可达性和轨迹，通过设定无障碍通行条件和各地块潜在人流规模，模拟行人流对向流动状态，由building EXODUS自主运算生成仿真模型。以可视化方式生成行人流的通行轨迹，如图所示，颜色偏红的点行人流密度高，颜色偏蓝的点行人流密度低，基本可判定影响区内行人流的主要流线和方向。

    因无障碍状态下行人流可快速穿行道路和地块，由图所示，构成了“米字型”的流线轨迹，其中主要人流来自北部和东北部、西部三个方向，以此判定模拟的步行轨迹作为重点规划的步行廊道。

3.2现实状态行人流仿真模型

    根据现场勘查情况，考虑街道的建筑物、围墙、河涌和禁止过街区域等通行障碍，绘制现状行人通行空间。依托现场采样调查，人流方向为往北向万达广场（约31%）、东北向云山雅苑（约22%）、东南向百事佳新村（约20%）、西向机场路（约25%）。

   通过现场踏勘分析现实状态下飞翔公园站的通达情况，如图所示，各个方向的通达情况如下：（1）东部地块与站点之间需跨云城东路主干道，过街受信号灯控制，等候时间长，过街距离长；（2）西部地块与站点之间受云城西路和机场路两条干道阻隔，需要等待两次信号灯，过街距离过长；（3）北部万达地块与站点之间需跨越两条次干道，地块受到围闭无法穿行。多种原因导致站点周边各个方向的步行交通现状可达性低。

    站点和周边地块之间通行平均需多浪费约4.5min（约300m的距离），主要是过街等候、障碍物、路径曲折等。主要导致可达性不足的因素总结如下：

    1)由于站点周边的权属地块各自为政，形成通行障碍物，例如万达广场到地铁站直线距离300m，但由于之间地块的阻碍需要通行距离600m； 

    2)站点周边东西向道路不贯通，导致南北向道路的车行交通压力大，信号灯时间分配偏向于车行交通，导致人行过街等候时间过长； 

    3)交通性道路的行人过街设施严重不足，尤其是云城西路和云城东路，过街设施平均间距约408m，也削弱了步行前往地铁站的可达性。 

    根据仿真数据和GIS的网络分析法，评价飞翔公园站的现状可达性较弱,站点周边15min步行时间所覆盖区域只有77.8公顷，而理想状态15min步行覆盖区域为463.5公顷，现状站点的服务范围与理想状态比较只达到了17%，也就是城市政府需要再投入约5倍的公共交通设施才能满足地区出行的需求，从这次评估可知，仅使用服务半径等常规方法无法真正触及道路和交通设施实际运转中的问题，需要采取精细化的方法对交通空间的不足进行评估和优化。

4.1模型优化分析——以流定性

    4.1.1基本判定

    根据模型比对站点周边行人流可判断两点。一是明确人流量最大的方向是北向、东北向和西向，需要重点梳理道路通行空间和节点；二是确定人行过街的主要优化节点，加强行人的连续流。

   4.1.2步行廊道方向定性

    以行人流模拟仿真模型为基础，规划确定围绕地铁站形成“三主五次”放射型步行廊道，以及四主多辅的主要节点。

    4.1.3廊道优化策略

    根据主次划分，规划重点解决北部商务商业区、西部棠景片区和地铁站点之间交通联系，论文提出以下策略。

    （1）慢行优先，构建地下步行走廊

    改善轨道站点周边慢行环境，主要构建地下步行走廊系统，通过北向通道、西北向通道、西向通道三个方向地下步行廊道的构建将北部商务商业区和西部棠景片区与轨道站点串联，一方面保障机动车交通和人行交通的连续流，避免人车交通干扰，另一方面加强站点可达性，提高区域轨道交通分担比例。

    （2）交通接驳，增强轨道站点辐射范围

    通过构建立体步行系统，加强公交首末站与轨道站点的衔接，实现轨道交通与常规公交间的无缝衔接。优化周边道路公交停靠站，设置港湾式公交停靠站。

    轨道站点附近设置自行车停靠点，加强非机动车与轨道交通接驳，提升轨道交通辐射范围。

4.2确定地下步行廊道断面——以流定量

    以流定量方法主要是根据步行廊道的行人流的预测量、步行速率确定廊道的通行尺寸和断面形式。飞翔公园站总的客流量分为轨道站点集散客流、商业客流、公园客流、行人过街客流等部分，其中轨道站点集散客流和其他客流有交叉值，按照各出入口附近商业服务设施、公园、公共交通用地分配，最终得到步行廊道各部分客流量。

    依据《道路通行能力手册》，将行人通道服务水平分为A、B、C、D、E、F六级（如表）。根据服务水平标准反推，得到服务水平为A级、B级和C级情况下行人通道能力分别为小于1200、1600、2000人次/h。参考道路交通规划规范和设计条例，以及日本关于地下步行通道的宽度公式[注6]：

                     W=P/1600+F

    其中：W—设施通道的有效宽度（m） [注7]； 

    P—根据预测，20年后的高峰小时行人流量（人次/高峰小时）； 

    F—余裕宽度，当边设店铺时取2m，没店铺时取1m。 

    以行人通道服务水平A级为设计标准，在A级服务水平的人行道上，行人沿选择的路径行走，不受其他行人的干扰而改变自己的行动，自由选择步行速度，因此行人之间不会发生冲突。A级人均占有空间>5.6m2/人，流率≤16人/min/m。按A级确定各步行廊道的流量预测值，以及测算步行通道宽度数据如下[注8]：

4.3地下空间详细设计

    根据以流定性和以流定量方法确定步行廊道空间的方向和宽度，进行地下空间的详细城市设计。形态方案考虑地下空间使人的辨识方向能力变弱，必须以清晰的标志物和简洁的路线为导向，思考以加强地下空间方向感、可识别性为出发点，通过“下沉式广场+线性地下空间”的组合使用，满足人的导向和识别需求。方案设置一纵两横的线性地下步行廊道，通过一条贯通南北向的步行通廊，北部连接万达广场，南部连接飞翔公园腹地；通过设置两条东西向步行通廊，北侧通廊衔接云城西路两侧，南侧通廊衔接机场路和云城西路的交叉节点两侧。另外结合地上空间需求增设七个地下空间出入口，满足站点周边多方向多层次通行的需求。

    规划重点以地铁站点C出口为依托改造增设下沉广场，满足地下空间识别和逃生需求，同时形成人流集散场地，构建集中式的商业广场和公共服务空间，从而提升地铁站的公共活力和地铁地下空间的商业价值。 

4.4优化后评估

    根据优化方案的模型评估，模型选取A和B两个通勤人员，通过对步行时间、距离、速度等因素的模拟，反映出优化前后对步行效率的提升作用。根据building EXODUS仿真模拟和GIS分析，规划优化后扩展了地铁的服务范围，增加64%的可达空间；提升行人效率，平均节约了30%-50%的通行时间。因此，通过论文的方法，改善周边慢行交通环境，提高公交出行比例，扩大轨道交通站点的辐射范围，发挥轨道交通的潜在能力，可有效缓解交通拥堵问题。

    本论文主要对以量化分析为主导的理性城市设计方法进行初步探索，通过实际案例的分析评估，对使用服务半径对轨道交通服务水平测定的粗糙方法进行检讨，提出轨道站点设计的创新思路，并对人性化理念在微观层面的实践做出有益尝试，但存在研究方式方法上的不完善，还需要不断的深化检讨整体思路和方法。从总体看，本论文主要目的是将城市设计方法和传统的交通规划有机糅合起来，在人本思想指导下，构建高效率、高品质的公共交通，为打造精细化、品质化的城市公共空间服务。