宋 珂，周 銳，林宏志，蘇海龍，王新軍

（1.復旦大學 環(huán)境科學與工程系，上海200433；2.上海復旦規(guī)劃建筑設計研究院，上海200433）

近年來，隨著城鎮(zhèn)化進程的加快及機動化水平的迅速提高，上海市城市交通需求規(guī)模急劇擴大.根據(jù)第三次、第四次上海市綜合交通調查結果可知，2010年全市每日出行總量達到4.54×107人次，較2004年增長11%，居民機動化出行方式比重從28%提高到40%.小汽車擁有量自2004年以來年均增長12.4×104輛，私人小汽車注冊量接近1.01×106輛，即平均每5戶擁有一輛小汽車.小汽車使用強度較高，平均每車每日行駛39km，這大約是倫敦的1.3倍、東京的2.1倍.居民機動化出行距離持續(xù)增長、城市土地蔓延式擴張、城市交通堵塞、能源緊張、環(huán)境污染加劇等，成為上海城市快速發(fā)展中凸顯的一系列問題.

為突破上海城市發(fā)展所面臨的土地資源、能源及環(huán)境容量的制約，必須轉變發(fā)展模式，積極謀求資源和環(huán)境約束條件下城市和交通的可持續(xù)發(fā)展.軌道交通建設已成為一個戰(zhàn)略性的重大舉措.它具有速度快、時間準、運量大、能耗低、安全平穩(wěn)的特點，既方便人們出行，又有利于引導城市空間合理地拓展，突破傳統(tǒng)單中心的城市空間結構，帶動居住、就業(yè)的有機擴散[1].

交通方式歷來都是城市用地特定形態(tài)形成的重要誘導因素，反過來，特定的交通方式也需要相應土地利用形態(tài)的支持.國外交通建設經(jīng)驗表明，軌道交通對城市空間結構的影響主要是通過其站點地區(qū)來體現(xiàn)[2]，軌道交通不僅增加了站點地區(qū)的可達性，也改善了站點周邊土地的區(qū)位條件，而土地利用狀況反過來又會給軌道交通提供充足的客源.

在世界各地尋求交通和城市可持續(xù)發(fā)展的努力中，城市公共交通與土地開發(fā)整合的發(fā)展模式已受到廣泛推崇[3].以公共交通為導向的發(fā)展（Transit Oriented Development，TOD）模式以其土地資源集約、生態(tài)環(huán)境友好、交通系統(tǒng)高效等特點，成為未來城市和交通發(fā)展的必然選擇.上?，F(xiàn)在正處于軌道交通大規(guī)模建設時期，香港、東京等城市的經(jīng)驗表明，軌道交通大規(guī)模建設時期恰恰是推進TOD模式的最佳時機.

TOD模式由Peter Calthorpe提出，強調土地的混合利用.主要指以公共交通樞紐和車站為核心，在半徑不超過600m的步行環(huán)境中，倡導高效、混合的土地利用，同時其環(huán)境設計是行人友好的[4，5].如圖1所示，一個典型的TOD地區(qū)由公共交通站點、核心商業(yè)區(qū)、辦公區(qū)、居住區(qū)、公共開放空間和次級區(qū)域等組成.它基于公共交通引導土地開發(fā)，促進城市空間的合理有序增長，為城市提供了一種新型土地開發(fā)模式.它既適用于城市邊緣區(qū)的開發(fā)，也適用于建成區(qū)的再開發(fā)[6].

TOD理論和實踐的發(fā)展過程中，形成了3項基本規(guī)劃設計原則，即高密度（Density）開發(fā)、多樣化（Diversity）土地利用以及良好的設計（Design）.

1）高密度開發(fā) TOD模式最基本的特征是開發(fā)密度較高，用地布局緊湊.密度的提高可以縮短出行距離，增強土地使用效率，遏制無序蔓延.一定的居住、就業(yè)密度既可保證公共交通所需的客流量，又能支持TOD地區(qū)內商業(yè)、金融等活動所需的消費市場[7].規(guī)劃管理對站點周邊土地開發(fā)利用的關鍵控制要素在于土地利用性質和土地開發(fā)強度（容積率），用地性質決定地塊適建的建筑類型，土地開發(fā)強度（容積率）則反映建筑物量的規(guī)模[8].

2）多樣化土地利用 站點附近多樣化土地類型的混合布置，可以實現(xiàn)多重目標，如增加就業(yè)需求、活躍地區(qū)氛圍、平衡居住就業(yè)、減少小汽車出行等.

3）良好的設計 TOD設計原則以行人為本，強調精心設計步行系統(tǒng)和公共交通系統(tǒng)，營造良好的步行環(huán)境.

圖1 典型的TOD用地結構模型Fig.1 A typical land use structure model of TOD

1 軌道交通站點分類及其影響范圍

國外TOD理論提供了軌道交通站點地區(qū)開發(fā)的一般性設計框架.由于軌道交通站點所處區(qū)位不同，受到城市功能、用地格局等因素的影響不同，因此TOD模式的站點地區(qū)用地布局會出現(xiàn)差異性.結合國內城市軌道交通建設情況與城市發(fā)展狀況，將軌道站點地區(qū)分為4種類型:公共中心區(qū)、交通樞紐區(qū)、成熟居住區(qū)、城市外圍區(qū)[9].

要研究軌道交通站點地區(qū)的土地使用特征與模式，首要前提是確定站點地區(qū)的邊界.本文根據(jù)相關經(jīng)驗[10]，從實用角度出發(fā)，選擇以步行半徑確定站點地區(qū)范圍的標準，即以站點為圓心，500m（10min的步行距離）為半徑作為研究范圍.

2 基于TOD理念的多目標決策模型的建立

國內外學者對TOD的理念與規(guī)劃方法研究較多，如Calthorpe[11－14]等，但基于TOD模式構建的用地規(guī)劃模型極少.要將該模式落實到土地利用優(yōu)化上，最終要通過高密度開發(fā)、土地混合利用、良好設計三個原則的綜合兼顧來實現(xiàn).

本文參考相關文獻[15，16]，以站點周邊地區(qū)的高密度開發(fā)來增加公共交通系統(tǒng)運量，以站點周邊地區(qū)環(huán)境品質的提升來保證該地區(qū)的環(huán)境質量，以均衡土地混合利用來減少區(qū)域出行總量，由此確定3個目標函數(shù)，以不同類型用地的容積率為決策變量，建立多目標決策模型來協(xié)助決策者進行各種類型用地的容積率設計.

2.1 基本假設

1）站點地區(qū)各類用地面積已經(jīng)確定，本模型在此基礎上進行優(yōu)化；2）站點周邊使用軌道交通出行的人，均從本站出發(fā)；3）根據(jù)國內城市用地分類標準，可對居住用地、公共設施用地（本研究中主要指行政辦公和商業(yè)金融兩種用地類型）兩大類用地進行容積率優(yōu)化；具體應用時，可調整分類或合并相似用地類型.

2.2 決策變量

本研究以各類型用地的容積率作為模型的決策變量.容積率作為土地規(guī)劃利用的綜合控制指標，不同于綠地率、建筑密度等形態(tài)控制指標，它是把握城市人口、城市建筑和用地3種規(guī)模，以及協(xié)調經(jīng)濟、社會、環(huán)境3種效益的交匯點.它通過比值方式來計算，指標較為簡潔明了.

2.3 目標函數(shù)

目標Ⅰ 加大軌道交通的運量.根據(jù)TOD的高密度特征，站點周邊用地的高密度開發(fā)可帶來較多活動，進而加大軌道交通的運量.如果僅追求運量最大化，伴隨的密集人流和噪音會給區(qū)域周邊生活環(huán)境帶來負面影響，發(fā)展密度的提高也會影響最初的土地利用均衡程度，因此，需要衡量3個目標的重要程度并綜合考慮.

式（1）中:Z1為衡量交通運量的指標（m2·次／人）；X為容積率；L為各類用地總面積（m2）；r為居住用地；c為公共設施用地；i為居住或公共設施用地中的第i種用地類型；Tri為第i種居住用地上每居住人口的日均出行次數(shù)（次／人）；Tci為第i種公共設施用地上每個崗位產(chǎn)生的日均出行次數(shù)（次／人）；kri為第i種居住用地上居民出行使用軌道交通的比例；kci為第i種公共設施用地上出行者使用軌道交通的比例.

目標Ⅱ 營造規(guī)劃區(qū)域良好的環(huán)境.采用市政設施、綠地及道路廣場的用地面積和與居住和商業(yè)辦公類用地的總建筑面積的比值來表示，該值越大，表明市政設施及綠地所占比例越高，環(huán)境品質越良好.

式（2）中:Z2為衡量環(huán)境品質的指標，即其他用地總面積與居住用地建筑面積及公共設施用地建筑面積總和之比；e為其他用地，包括市政設施用地、綠地及道路廣場用地.

目標Ⅲ 均衡的土地混合利用.分別以類似成熟站點的土地利用情況、其他用地（包括市政設施用地、綠地及道路廣場用地）情況為參照值，使研究站點與參考站點的差別最小.該值越小，表明研究站點地區(qū)的土地混合利用發(fā)展趨勢越好，環(huán)境設計越合理.

式（3）中:Z3為衡量土地混合利用的指標，即研究站點與成熟站點土地利用情況、其他用地情況差值的絕對值之和為參考站點的居住用地建筑面積及公共設施用地建筑面積總和與各類用地總面積的比值為居住用地建筑面積及公共設施用地建筑面積總和與其他用地總面積（包括市政設施用地、綠地及道路廣場用地）的比值.

2.4 約束條件

1）容積率管制 過高的容積率會導致開發(fā)過度，引發(fā)環(huán)境破壞和市場供需失衡.根據(jù)文獻[16]的研究成果，采用現(xiàn)行規(guī)范的上限值為本研究的下限值，采取現(xiàn)行規(guī)范上限值的1.4倍為本研究的上限值.

2）站點類型的功能限制 不同的站點類型承載著不同的職能.以公共中心站點為例，其核心職能是形成區(qū)域中心，帶動區(qū)域發(fā)展.因此，此類站點周邊土地的利用應以具有吸引效應的公共設施用地開發(fā)為主，居住用地開發(fā)為輔，前者的開發(fā)強度不低于后者.

3）現(xiàn)狀環(huán)境品質的制約 以現(xiàn)狀居民人均其他用地面積（包括市政設施用地、綠地及道路廣場用地）為下限，確保優(yōu)化后居住環(huán)境品質有所提高；以現(xiàn)狀教科文衛(wèi)建筑面積與居住用地建筑面積比值為下限，使得優(yōu)化后土地利用更均衡.

2.5 多目標決策模型

多目標決策是在一組約束條件下，同時對多個目標求最優(yōu)解.在實際的多目標決策問題中，各目標之間通常存在沖突，要找出所有目標都達到最優(yōu)的解很難，大多情況下，這樣的解根本不存在.本研究中的3個目標即是存在沖突的.追求交通運量的最大化，會導致環(huán)境品質受損，對土地利用的均衡配置會有一定影響；追求環(huán)境品質最佳，則必然會降低開發(fā)密度，不能保證TOD所必需的活動量，土地利用均衡不夠；追求土地利用最平衡，則會減少運量，環(huán)境品質不能保證最佳.因此，可行的做法是針對具體情況，根據(jù)決策者的需求將這些目標分出主次，或根據(jù)這些目標的輕重緩急不同，區(qū)別對待.突出主要目標，而將次要目標轉化為目標約束，求出滿意解.

以軌道站點周邊土地利用追求目標Ⅰ最優(yōu)化為例，此時目標Ⅱ、目標Ⅲ成為次要目標，并轉換為目標Ⅰ的約束條件.即在滿足次要目標的最基本條件之后，追求目標Ⅰ的最大化，模型如下:

約束條件如下:

上式中，α，β分別為目標Ⅱ和目標Ⅲ的具體約束值（本研究中分別取現(xiàn)狀環(huán)境品質Z2和現(xiàn)狀土地混合利用程度Z3的90%作為約束條件的臨界值）.本文研究TOD問題的數(shù)學規(guī)劃模型可以轉換為MaxZ1；式（10）～（16）式為約束條件，這是非線性單目標規(guī)劃模型，本研究采用R語言的最優(yōu)化函數(shù)進行求解.

3 實證研究——五角場站周邊用地開發(fā)分析

3.1 五角場站所處線路簡介

上海軌道10號線，編號 M1，是上海市軌道交通網(wǎng)絡中的重要骨干線路.10號線一期由新江灣城站至虹橋火車站站，長31.254km，支線由龍溪路站至航中路站，長4.967km（見圖2）.由于沿途經(jīng)過新天地、豫園老城廂、南京路、淮海路、四川路、五角場城市副中心等上海中心區(qū)域，因此被稱為上海市“最黃金線路”.

3.2 五角場站周邊用地情況

五角場站是上海軌道10號線上第5座車站，車流、人流及地下管線密集.站點位置位于楊浦區(qū)四平路邯鄲路地下，是五角場五層環(huán)島樞紐中的地下三層.五角場站周邊用地處于江灣－五角場副中心區(qū)域內.該站周邊商業(yè)、辦公、金融、住宅用地密集，而且大型商業(yè)設施較多，例如東方商廈、蘇寧電器廣場、百聯(lián)又一城、上海萬達商業(yè)廣場、上海大西洋百貨等.

由于TOD模式下站點的合理研究范圍為500m[9]，所以本次以五角場站500m為半徑畫圓，紅線范圍內確定為本次的研究范圍（見圖3），該范圍內的現(xiàn)有用地情況作為本次研究現(xiàn)狀資料.

3.3 五角場站周邊用地優(yōu)化分析

1）站點定位與現(xiàn)狀分析 在《上海市城市總體規(guī)劃（1999～2020年）》中，江灣—五角場被列為4個副中心之一，主要服務城市東北地區(qū)，因此，五角場站屬于典型的公共中心站點類型.公共中心區(qū)站點的特點是周邊地區(qū)人流密集、開發(fā)強度較大.站點周邊聚集大量商業(yè)娛樂、公共服務設施，大型公共建筑較多，公建用地比例高.這類站點地區(qū)規(guī)劃的目標是以軌道交通帶動城市土地綜合開發(fā)形成的區(qū)域中心，保證地鐵站與鄰近商業(yè)辦公、公交設施的緊密聯(lián)系，鼓勵地鐵車站與周邊建筑的一體化建設，提供便捷、通達的步行環(huán)境和高質量的公共空間[17].

根據(jù)表1可以了解上海五角場站不同半徑影響范圍內的用地結構.商業(yè)金融和其他用地（包括市政設施用地、綠地及道路廣場用地）為主要的用地構成，100m半徑范圍內分別達到44.78%和31.38%，文教用地、行政辦公及混合用地分別為11.45%、6.61%、5.79%，這里混合用地類型為商辦混合用地；200m半徑內居住用地比例有所增加，文教用地上升到17.27%，商業(yè)金融和行政辦公分別下降為33.89%、3.97%，混合用地以商辦混合為主，商住混合為輔，比例下降為4.84%；500m半徑范圍內，居住用地比例繼續(xù)呈上升趨勢，高達18.50%，行政辦公用地比例增至7.55%，空地比例增至7.69%，商業(yè)金融用地比例隨著與站點距離增加逐步降低為19.74%，文教用地和混合用地呈下降趨勢，其中商住混合用地有所增加，其他用地類型呈上升趨勢.

從圖4中可以看出，隨著半徑范圍的擴大，與軌道交通站點的距離增加，商業(yè)金融用地、混合用地這些高強度開發(fā)的用地比例逐步下降，而開發(fā)強度較低的居住用地甚至尚未開發(fā)的空地逐漸增加.這說明，該站點地區(qū)總體符合0～100m范圍內相對高強度開發(fā)，100～500m范圍內土地利用開發(fā)強度逐步降低，呈現(xiàn)出開發(fā)強度隨著到站點的步行距離變大而逐漸下降的特點.研究區(qū)域的特點是:商業(yè)發(fā)展已經(jīng)形成規(guī)模，但功能層級不清，商業(yè)業(yè)態(tài)較為單一；步行系統(tǒng)與步行空間銜接不暢，地鐵覆蓋密度不大，環(huán)島交通壓力較大，具有較大的優(yōu)化空間.

表1 五角場站周邊不同半徑圈層用地結構表1）Tab.1 The land use structure in different radius around the Wujiaochang Station

圖4 五角場站周邊現(xiàn)狀用地構成比較Fig.4 The land use structure around the Wujiaochang Station

表2 五角場站點500m半徑范圍內用地分析表1）Tab.2 The land use statistics within a radius of 500 meters around the Wujiaochang Station

研究區(qū)域的現(xiàn)狀用地情況如表2所示，由此可知，軌道交通五角場站地區(qū)內，居住、行政辦公、商業(yè)金融、文教、混合用地（商業(yè)辦公混合、商業(yè)居住混合）、空地或工地、其他用地面積分別為14.53，5.93，15.5，8.35，3.42，6.04，24.78hm2.

2）參數(shù)確定 由表2可知，五角場站地區(qū)內各類型用地面積.按照《上海市城市規(guī)劃管理技術規(guī)定》，內外環(huán)之間的居住用地容積率管制取2（200%），商業(yè)辦公用地取3.5（350%），則這兩類用地容積率的優(yōu)化范圍為:2～2.8，3.5～4.9；結合五角場站現(xiàn)狀情況，居住人口使用軌道交通的比例取8.1%，公共設施用地上出行者使用軌道交通的比例取14.3%；由于數(shù)據(jù)來源的限制，各類土地上的交通生產(chǎn)量按照上海市的平均值計算，居住人口人均次數(shù)取2.21次，每崗位產(chǎn)生的日出行次數(shù)取3.32次；由于徐家匯與江灣—五角場并列為上海副中心，且開發(fā)時間較早，開發(fā)效果顯著，是上海著名的商業(yè)中心之一，因此參考站點選取徐家匯.根據(jù)實地調研數(shù)據(jù)測算，徐家匯站為1.98為5.58.居住用地上人均居住的建筑面積參考《2009年上海市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》發(fā)布的數(shù)據(jù)，取34m2／人；現(xiàn)狀人均其他用地面積取5.91m2／人；現(xiàn)狀居民人均市政設施用地、綠地面積及現(xiàn)狀教科文衛(wèi)建筑面積與居住用地建筑面積比值按照表2計算得到.教科文衛(wèi)用地，由于缺乏相關數(shù)據(jù)，所以本次研究中沒有涉及；混合用地由于土地利用情況復雜，開發(fā)強度已經(jīng)較大，優(yōu)化潛力較小，故維持現(xiàn)狀.

3）優(yōu)化結果 根據(jù)上級規(guī)劃的目標可確定五角場站屬于公共中心站點，因此，該站點周邊地區(qū)應該以提高開發(fā)密度，增大交通運量為首要目標.在模型的優(yōu)化過程中，考慮在滿足目標Ⅱ和目標Ⅲ的最低要求下，優(yōu)先追求目標Ⅰ的最大化.根據(jù)現(xiàn)狀的約束，可知Z2≥0.173 7，Z3≤0.678 6.

以目標Ⅰ為目標函數(shù)，將目標函數(shù)Ⅱ和目標函數(shù)Ⅲ轉換為約束條件，利用R語言的最優(yōu)化函數(shù)進行求解.優(yōu)化后，居住用地的容積率滿意解為2.63，行政辦公用地的容積率滿意解為4.81，商業(yè)金融用地的容積率滿意解為4.9，目標Ⅰ的函數(shù)值為564 241.7.

五角場周邊用地現(xiàn)狀容積率與滿意容積率進行對比結果見表3，可以清晰地看到目前的居住、行政辦公、商業(yè)金融用地的開發(fā)強度相比TOD模式下的高密度還有一定的差距，開發(fā)潛力較大.

表3 現(xiàn)狀和滿意容積率對比Tab.3 The comparison between the present floor area ratio and the optimized solution

4 結果與分析

模型中采用各類用地的容積率作為決策變量.由于取現(xiàn)狀容積率上限作為TOD模式下軌道交通站點周邊用地容積率范圍的下限值，其值的1.4倍為上限值，所以在模型計算時保證了較高的容積率指標，符合TOD模式下站點周圍地區(qū)高密度開發(fā)的要求，增強了土地使用效率，保障了充足的客流資源.

從表3可以看出，居住用地滿意容積率有所提高，這說明現(xiàn)狀居住用地開發(fā)強度比TOD模式下的軌道交通站點所需要的開發(fā)強度略低.結合對五角場站周邊用地的實地調查，周邊居住用地多為多層住宅，建筑形態(tài)單一，空間結構單調，且高層、小高層、多層混合的混合小區(qū)很少.五角場地區(qū)可以利用現(xiàn)有的空地規(guī)劃高層居住小區(qū)，逐步替代老式居住樓，提高站點周邊的居住密度，設計出更多具有整體美感的、建筑空間格局豐富的、利益達到最大化、環(huán)境達到最優(yōu)化，并適合長期居住的小區(qū).

辦公用地現(xiàn)狀平均容積率3.2，優(yōu)化過后達到4.81，這是由于五角場站周邊用地中規(guī)劃辦公用面積較少.高密度用地適合布置在最舒適的步行距離內，因此站點200m半徑范圍內應做高密度開發(fā).根據(jù)實際調研，站點附近200m范圍內，行政用地比例僅占3.97%.站點現(xiàn)狀說明行政用地面積規(guī)劃過低，提供的就業(yè)崗位不夠.長此以往，這會使職住失衡，并且導致通勤距離拉長、出行時耗與機動車的使用率增加.

商業(yè)金融用地經(jīng)調整后，達到商業(yè)用地容積率的上限值4.9.作為城市副中心的五角場地區(qū)土地使用規(guī)劃決定了江灣―五角場地區(qū)未來的開發(fā)是高強度的.據(jù)現(xiàn)狀調查，500m內的商業(yè)用地比例為19.74%，參考表4可知，商業(yè)用地的比例應得到進一步提升，為區(qū)域內部提供購物、娛樂和廣場等公共設施，以保障居民日益增長的購物娛樂需求，更好地服務于上海市的東北地區(qū)，分擔中央商務區(qū)的功能.

目前，國內外對TOD模式的研究主要集中于定性分析方面.本研究基于城市軌道交通站點多目標決策模型，結合站點周邊用地現(xiàn)狀，創(chuàng)新性地對上海五角場站周邊用地進行定量的優(yōu)化計算，并得出容積率設計的滿意解.但同時也要注意，該多目標決策模型只是一種對現(xiàn)實的模擬情景規(guī)劃.單從城市規(guī)劃的角度看，五角場站周邊地區(qū)自身的開發(fā)強度已較高，但是相對TOD模式的要求仍有一定差距.因此，本決策模型主要是提供一種定量的分析方法，其結果可以為規(guī)劃決策提供參考.

TOD模式被公認為是實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的有效策略，在世界范圍內存在不少成功的案例，其所產(chǎn)生的綜合效益是多層次的長期的.要想改變目前面臨的城市蔓延、交通擁堵和環(huán)境污染等境況，我國有必要采用TOD模式，通過合理的城市規(guī)劃及大力發(fā)展公共交通，為人們提供方便使用公共交通的、功能混合的、環(huán)境優(yōu)美的城市用地布局，促進城市的健康、可持續(xù)發(fā)展.

表4 TOD中合適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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