0 引言
随着国家“十二五”规划项目的推进，全党和各族人民正向着全面建成小康社会的目标而努力奋斗，构建综合交通运输体系也成为了“十二五”规划中的一项重要内容。它既能够促进区域良性互动、协调发展，也能够满足人们对出行方式选择的多元化需求。城市轨道交通的发展建设是构建综合交通运输体系的一个分支，对综合交通枢纽起重要的辅助分流作用。近几年，全国掀起了城市轨道交通建设的热潮，城市轨道交通对缓解地面交通运输压力和减少道路拥堵起到了显著的效果。
随着城市轨道交通工程的持续开展，轨道交通换乘站作为线路的节点，既要满足一般轨道交通车站的使用功能，又担负着整个轨道交通的网络化运营职责。轨道交通换乘站的设计水平决定着整个地铁网络的运行效率。换乘功能的发挥有助于提高城市经济效益，所以研究轨道交通换乘站具有重要意义［1］。基于换乘车站在整个线网中的重要性，对换乘车站的研究已经成为了当前研究的热点。结合工程实际，在换乘车站的换乘模式、换乘评价体系、换乘流线设计以及仿真分析等方面已经有很多学者进行了针对性的研究，如:于慧东［2］研究了铁路与城市轨道交通的主要换乘模式; 马令［3］建立了基于换乘影响因素的评价体系; 田苗［4］以成都东站为例，利用灰色关联度评价模型和仿真软件分析了综合枢纽流线设计的要点; 陈富安［5］研究了平行换乘车站的各种换乘形式。
本文所研究的换乘站，由于站位所处地理位置较特殊，地形高低起伏较大，站位周边施工环境条件较差; 因此，既要满足工程可行性，又要使车站换乘功能实现最优，需要综合换乘车站的各方面影响因素和工程实际情况，不能只偏重于考虑车站的换乘因素。本文在前人研究的基础上，分析了不同换乘方案对车站功能、结构风险及周边环境的影响，阐述了每个设计方案的设计特色，并应用仿真软件对存在多个换乘点的车站客流组织进行分析，从而进一步优化设计方案，以期为类似换乘车站的方案设计和实施提供参考。
1 工程概况
青岛是一座有着悠久历史和人文气息的美丽海滨城市，旅游季节客流激增。青岛的地理位置特殊，地面公共交通运输线路长、站点多，出行耗时长，城区部分道路狭窄，易造成交通事故。人口密集区域早晚高峰时段车流量大，地面交通十分拥堵，从而限制了人们的出行。因此，青岛建设城市轨道交通是十分必要的。青岛地铁4 号线共计划建设10 座换乘站，占全线的46%。青岛市轨道交通远景线网规划见图1。
图1 青岛市轨道交通远景线网规划图
江苏路站是青岛地铁1 号线和4 号线的近期换乘车站。1 号线整体呈南北走向，江苏路站位于胶宁高架路南侧，胶宁高架路为青岛城市高架快速路，车流量大，交通繁忙。4 号线为主城区东西向的骨干线，江苏路站位于胶宁高架路与江苏路交叉口以南江苏路下方。两线区间呈十字交叉。车站位于青岛老城区，且属于风貌保护区范围，西北侧为青岛市立医院，西南侧为基督教堂( 文保建筑) 、青岛市第六中学和观象山公园等，周边其他建筑密集。1 号线车站所处地块地势高差达20 m，采用明暗挖结合工法施工。4 号线区间位于1 号线区间下方，4 号线从海边起始，该站是第3 站，与前一站间距较小，轨面提升能力有限，故4 号线江苏路站轨面最大埋深约50 m，是目前青岛地铁建设过程中埋置最深的地铁车站，并且车站前后区间均为曲线段。江苏路站及周边环境如图2 和图3 所示。
图2 江苏路站具体位置示意图
图3 苏州路站周边环境
2 车站方案
2． 1 设计思路
在做换乘站设计时，首先，要对换乘客流有较为清晰的分析和组织，其次，要考虑到车站周边环境对车站方案实施的影响，继而选择合理的换乘形式，以达到换乘功能的合理化。换乘客流一部分来源于乘车进行线路的换乘，这部分客流往往偏向于选择台到台的换乘方式; 另一部分来源于地面客流就近选择出入口进入地铁车站而选择另一条线路出行，这部分客流则会选择厅到厅的换乘方式。因此，采用何种方式进行换乘、换乘节点的规模以及换乘客流组织方式都会影响到换乘车站的使用功能。
根据两线车站、站台立体相交平面或竖向相对位置的不同，通道换乘可配合节点换乘( 见图4) 。由“十”字形、“T”形、“L”形节点换乘形式搭配通道换乘来实现双向客流单向或双向循环的客流组织模式，各自利用其换乘形式的优势组合出更方便快捷的换乘模式［6］。
图4 通道换乘+ 节点换乘的平面换乘形式［7］
2． 2 对江苏路站换乘关系的研究
根据工可阶段客流预测报告，江苏路站1 号线和4 号线的初期、近期及远期换乘客流如表1 所示。
超高峰小时系数为1． 36;
车站远期早高峰换乘客流为( 3 696 + 3 151) ×1． 36 = 9 313 人/h;
1 号线车站的设计换乘客流量占总客流量的9 312 /11 863 = 78． 5%;
4 号线车站的设计换乘客流量占总客流量的9 312 /21 694 = 42． 9%。
表1 江苏路站初期、近期及远期换乘客流
2． 2． 1 换乘方案1
从车站形式来看，两线车站均采用双层岛式车站的标准站形式，可以减少施工难度，降低工程造价且方便客流组织，不管是结构形式还是建筑功能都较优。两线轨面线高差8． 8 m，4 号线轨面埋深约45 m。由于4 号线车站埋置过深，出入口超长需3 次提升，局部3 层暗挖节点施工风险较大，且不利于乘客快速进出车站，但由于辐射范围较广，便于吸引客流，疏导交通。此外，车站建设过程中涉及拆迁较多，给周围环境造成了一定程度影响。方案1 总平面布置如图5 所示。
图5 方案1 总平面布置
从换乘方式来看，两线车站采用通道换乘形式，类似于“L”形布置，包括厅—厅和台—台2 个换乘点。该换乘通道存在高差，因此，厅厅换乘采用两扶一楼，通道宽度8 m，如图6 所示。台台换乘通道与4号线左线区间并行，采用楼梯进行客流组织，宽度4m，如图7 所示。换乘采用“点+ 通道”的组合换乘方式，对于大量换乘客流突发集中的缓冲能力最强，安全性最好。
图6 站厅—站厅换乘通道剖面图
图7 站台—站台换乘节点剖面图
2． 2． 2 换乘方案2
从车站形式来看，1 号线采用明暗挖结合双层岛式车站，4号线采用站厅与站台分离的暗挖3 层分离岛式车站，车站站厅层及设备层采用19 m 净宽标准断面，车站总长164 m。4 号线轨面埋深约49 m。该方案设计新颖，有效解决了由于车站埋置过深造成的出入口超长问题，1、4 号线设备小端形成组合六风亭，使出地面建筑更加规整。方案2 较方案1 车站拆迁量少，对周围环境影响小，但车站主体和附属均与部分人防工程冲突，结构形式及工法转换相对较复杂，造价高，存在一定程度的土建浪费，出入口对地块的影响较大等是制约该方案的主要因素。
从建筑形式的新颖性和结构突破性的角度来看，该方案研究价值较大。总平面布置如图8 所示。
从换乘方式来看，两线车站的换乘形式采用站厅—站厅的8 m 宽换乘通道，该通道可以实现平行换乘［8］，换乘客流在站厅层分流，减少了站台层客流拥堵状况，对换乘客流密集到达有良好的缓冲能力，缩短了在站内的滞留时间。平行换乘形式对于行动不便的乘客更加有利，也更加人性化。该换乘形式类似于“H”形布置( 如图9 所示) ，通道长度78 m。
图8 方案2 总平面布置
图9 方案2 换乘关系剖面图
2． 2． 3 换乘方案3
1 号线在原站位，将4 号线站位沿着江苏路北移，车站外形呈曲线型，暗挖3 层岛式车站，1号线和4 号线进行“T”形换乘，站厅层结构连通，总平面布置如图10 所示。地面出入口覆盖范围扩大，可有效提高疏解交通的能力。但换乘客流量较大时，还需配合平行换乘或通道换乘等换乘形式来疏导换乘客流。因此，该方案设置了连通非付费区的通道兼两线出入口作为换乘通道。4 号线跨五岔路口，下穿3 条下穿道和桥桩，顶板距离桥桩较近，结构断面较大，施工风险高，且在标高上与人防工程有冲突，虽然换乘形式较好，但方案可实施性较低。
图10 方案3 总平面布置
对上述3 个方案从车站功能、换乘方式、设计方案创新性、拆迁量、对周围环境的影响、现场实施条件以及工程实施难度等方面进行了论述，综合比较后，确定方案2 为推荐方案。2． 3 各方案的设计特色
在车站用地条件比较紧张的情况下，出地面的建筑在满足功能需求的前提下力求量少规整，因此，对换乘车站的出地面建筑位置和数量要求更高。在不改变全线通风模式统一控制的原则下，采用单活塞和高风亭组充分利用平面和空间。
1) 方案1 的设计特色。台台换乘节点是一个暗挖3 层结构，结构高度28． 5 m，宽度22． 1 m，且为两线设备小端的连接。该节点处利用空间优势，每层的布置如图7( b) 所示。地下负1 层为1 号线车站活塞风道和排热风道; 地下负2 层为1 号线车站新风道和4号线车站活塞风道及冷水机房; 地下负3 层为4 号线左、右线区间及换乘通道。
2) 方案2 的设计特色。平行换乘功能好，减少出入口提升高度; 厅台分离形式新颖，创新点高; 与一些端厅车站不同，实现了站厅层连通; 主体暗挖，组合六风亭，均能减少房屋拆迁量。充分利用其所处位置存在地势高低差的优势，从地势低处开始做侧出风口，以减小其高度，避免对周边建筑造成过大影响。
3) 方案3 的设计特色。付费区和非付费区均可以实现平行换乘，换乘距离短，换乘功能好，主体跨路口设置减少了出入口的长度，附属布置灵活。
3 基于Anylogic 的换乘客流仿真研究
城市轨道交通中部分换乘站的人性化设计考虑不足，尤其是采用通道换乘方式的车站，换乘通道距离过长、换乘流线不合理等问题，削弱了换乘站作为重要节点实现轨道交通线网可达性的能力。产生该问题的原因之一是缺乏对车站换乘方式的适应性研究［9］。
目前Vssim 和AnyLogic 是所有仿真软件中最成熟、应用最广泛的技术。考虑2 种仿真软件的仿真效果、软件获取代价、技术水平和建模难易程度等情况，本文选择采用Anylogic 研究换乘的微观仿真。近年来，随着国家和社会对公共安全的重视，AnyLogic 日渐被应用于大型建筑物、地铁站、车站和机场等公共场所，主要研究解决人群疏散模拟、行人交通流、安全隐患预测模拟、公共安全预警机制建立及应急保障方案建设等问题［10 － 12］。
多通道的换乘站客流组织形式仅采用单向循环有可能存在空间浪费的问题，而双向循环有可能出现客流流线不顺畅的情况，因此客流组织形式不能十分明确。由于方案1 存在2 处换乘通道，因此，以方案1 的换乘形式为例，利用Anylogic 软件进行客流仿真。
3． 1 模拟疏散能力
根据表1 中的数据，疏散能力计算如下。
3． 1． 1 厅厅换乘
1) 通道。5． 5 × 4 000 = 22 000 人/h ＞ ( 5 027 +4 286) = 9 313 人/h。
2) 楼扶梯。8 190 × 1 + ( 1． 65 × 3 200) = 13 470人/h ＞ 5 027 人/h。
3． 1． 2 台台换乘
1) 通道。3． 3 × 5 000 = 16 500 人/h ＞ ( 5 027 +4 286) = 9 313 人/h。
2) 楼梯。3． 3 ×4 200 =13 860 人/h ＞5 027 人/h。通过计算可知，换乘设施的疏散能力满足要求。
3． 2 模拟客流组织
根据客流预测数据，可知换乘客流在1 号线车站客流中的比重是4 号线车站的1． 83 倍，1号线车站以换乘为主; 因此，从乘客行为特性角度出发系统研究通道换乘站，利用Anylogic 软件重点分析换乘节点的客流组织［13］，从单循环换乘和双循环换乘2 个角度进行仿真实验。本节主要分析的是换乘通道处的客流组织，因此，分析时只考虑换乘客流。其中，行人在平面上的走行舒适速度为1． 02 ～ 1． 86 m/s，在扶梯的平均走行速度为0． 65 m/s，而行人在楼梯的走行速度是将在平面上的走行速度做一个速度加乘，加乘因子为0． 66［14 － 15］。将所有参数输入到构建的模型当中，最终运行仿真，得到实验结果，其值可以作为换乘循环方式的选用依据。
Fruin 教授提出的服务水平( Los，Levelof Service)概念，现在已经普遍运用在人行空间的设计和评估领域。该评价标准分为A—F 级，用于区分不同的服务水平，评价标准如图11 所示［16］。A 级，自由流水平; B级，行人的移动方向不受限制，逆向人流以及交叉人流仅产生较小的冲突; C 级，少量行人的移动受到周围其他人的影响，逆向人流与交叉人流移动遇到困难; D级，大部分行人的移动方向受到限制，逆向人流与交叉人流移动非常困难; E 级，所有行人的移动方向受到限制，逆向人流与交叉人流移动非常困难，需要中途停顿来避免冲突; F 级，行人行走困难，行走过程中需要不断停顿。
图11 仿真模拟服务评价标准
3． 2． 1 单循环换乘客流组织
1) 1 号线换乘4 号线客流。从1 号线站台层换乘楼梯下行进入4 号线站台层，换乘距离长约65 m，通道宽4 m。
2) 4 号线换乘1 号线客流。从4 号线站厅层进入换乘通道，通过楼扶梯上行进入1 号线的站厅层，再通过楼扶梯进入到1 号线站台，换乘通道长度约88 m，通道宽8 m。
仿真运行3 min 和5 min 结果分别如图12 和图13 所示。
由图12 可知，3min 内换乘客流没有在站台和站厅的通道处出现大面积的拥堵。
由图13 可知，5min 内换乘客流相较于3 min 内的换乘客流密集情况没有发生突变，客流均衡，流线顺畅。
从仿真结果可以看出，单向换乘客流比较顺畅，且随着时间延长，客流密度无较大变化，因而不会出现较大面积的拥挤。
3． 2． 2 双循环换乘客流组织
2 个换乘方向的客流既可以选择从站台换乘也可以选择从站厅换乘，走行方向具有随意性。一部分乘客会考虑换乘效率，选择站台楼梯进行换乘，造成楼梯口部拥堵; 另一部分乘客会考虑下车时人流量大，而选择就近的楼扶梯进行换乘。仿真运行3 min 和5 min结果分别如图14 和图15 所示。
图12 单循环换乘运行3 min 内站厅和站台层客流情况
图13 单循环换乘运行5 min 内站厅和站台层客流情况
图14 双循环换乘运行3 min 内站厅和站台层客流情况
图15 双循环换乘运行5 min 内站厅和站台层客流情况
由图14 可知，3min 内换乘客流仅在站台换乘通道处出现大面积严重拥堵，站厅换乘通道客流顺畅。
由图15 可知，站台换乘通道5 min 内换乘客流相较于3 min 内的换乘客流密集激增，拥堵范围扩大，而站厅换乘通道的客流则无明显变化。
从仿真结果可以看出，双向换乘客流容易在站台楼梯口位置出现拥堵现象，且随着时间的延长，拥挤程度会更加严重。
由上述结果可知，采用单向换乘更有利于换乘客流组织以及满足运营管理的需求。从客流进站就近选择出入口的角度，站厅层双向换乘可以提高服务效率。同时，站台通道在换乘客流量小的时间段也可实现双向换乘，由工作人员辅助引导客流，既可以充分利用车站功能，又可以提高换乘效率。因此，建议采用以单向循环换乘为主、双向循环换乘为辅的换乘客流组织形式，既不会出现客流大面积严重拥堵影响车站功能的情况，又不会造成空间浪费。
通过仿真观察可知，站厅换乘通道行人走行时间为2 min，站台换乘通道行人走行时间为80 s。不论何种换乘形式，均能实现在5 min 内完成换乘，说明整个换乘通道的长度是合理的。
4 结论与讨论
本文对3 个换乘方案从换乘功能方面进行了深入分析，且分析了3 种不同形式的车站可行性。换乘方案1 采用“点+ 通道”的组合换乘方式，方便客流组织，但出入口超长需3 次提升，不利于乘客快速进出车站，方案涉及拆迁较多，局部3 层暗挖节点施工风险较大; 换乘方案2 优化了方案1 的出入口提升高度，同时采用平行换乘方式使换乘舒适度有了很大提升，但分离岛式站台不如岛式站台开阔，工法转换相对较复杂，与部分人防工程冲突; 换乘方案3 可实现付费区和非付费区的平行换乘，换乘功能上是最优的，但车站顶板距离桥桩较近，施工风险极高，且同样在标高上与人防工程冲突，方案可实施性较低。因此，考虑在实现较优换乘功能的前提下，设计方案的新颖性以及工程的可行性，最终确定换乘方案2 为推荐方案。换乘方案1在付费区存在2 个换乘点，如何能更好地组织客流流线是十分重要的，利用Anylogic 仿真模拟软件分析方案1 的客流组织形式，建议采用以单向循环换乘为主、双向循环换乘为辅的换乘客流组织形式。由于站位所处地块道路狭窄且曲折，因此不可能位于道路正下方，车站及区间会下穿部分民房，虽然车站埋置较深，但施工过程中的爆破震动还是会对周边居民生活造成影响，如何减小施工过程中对周边居民生活的干扰以及如何结合仿真软件优化深埋车站的逃生疏散，是目前需要进一步深入研究的问题。
摘自：隧道建设