城市空间结构与交通发展的相互影响

2.1.3　城市空间结构与交通发展的相互影响

现代城市中，城市交通结构和交通方式是由多种因素决定的，包括自然的、经济的、社会的、文化的、技术的、生产方式、工作时间长短、人们的富裕程度等，但是多种关系中，城市空间结构与城市交通两者之间的关系最为重要^[16]。城市交通与城市空间演化之间存在着动态互馈的相互作用关系^[17]。一方面，城市空间演化不断对城市交通提出更高的要求，影响着城市交通的发展方向、发展规模和发展速度，为城市交通的发展提供相应的基础条件;另一方面，交通可达性的提高和交通方式的变革又会对城市空间的进一步演化产生引导作用，特别是交通条件的改善，通过影响居民和企业的选址行为而促进城市空间的演化。城市交通与城市空间演化会通过各种方式产生相互作用、共同发展，但交通可达性是连接城市交通与城市空间演化的关键纽带，二者之间的相互作用通过可达性的变化而得以实现(见图2-5)。

图2-5　城市空间结构与交通发展的相关关系

资料来源:孙斌栋等．上海城市交通的战略选择:空间结构的视角［J］．城市规划，2007(8):62-67．

2.1.3.1　城市空间结构对交通发展的影响

城市空间演化的结果表现为一定的城市空间形态。衡量城市空间演化结果的参数有许多，其中包括城市空间大小、空间形状、结构类型、人口密度及规模、就业密度及分布等^[18]。这些参数都在不同程度上对城市交通产生一定的影响。

1)城市空间格局的变化影响城市交通系统空间布局

不同的城市空间格局有不同的交通需求特征，必然要求相应的交通系统与之适应。团状城市的交通布局一般采用“环形+放射”或者“环形+棋盘+放射”型;组团式城市一般是“放射网中网”型;带形城市一般呈“带状”。因此，城市空间格局的变化将引起城市交通系统空间布局的重新选择。

2)城市布局特征影响交通量的产生

城市的用地规模和人口规模，决定着城市的交通流量;各类产业的布点和居住人口的分布影响着城市的交通流向。客运交通主要由劳动出行、学习出行、公务出行、生活出行和娱乐购物出行组成。这些出行量主要是各类人口在各类用地之间的流动形成的。因此，城市用地布局特征对城市交通影响很大，它的调整会引起城市客运交通的显著变化。

3)城市形态及规模的变化影响城市交通发展方向和速度

不同的城市形态和规模，将导致交通系统具有不同特征，主要表现在居民出行方式的变化上。城市规模的扩大和城市地域的扩张将改变城市交通集聚的特征，从而扩大机动交通工具的运行空间。交通工具性能的改良也对城市向外扩张形成推动力。在实际的发展过程中，两者的相互作用不断变化。

城市空间规模的大小对交通方式的选择具有重要的影响作用，这是因为，不同的交通方式有各自不同的特点，包括载客能力、行驶速度、空间占用、方便程度、成本投入、能耗及环境指标等，而不同的交通方式适合于不同的城市规模。从城市空间尺度和密度来看，通常可把城市分为以下几种类型，如图2-6所示。

图2-6　城市类型划分

在空间规模较小的小型或紧凑型城市里，居民的出行距离相对较短，一般的公共交通结合自行车及步行的交通方式就能满足居民的出行需求，不需要采用轨道交通、大容量快速公交或小汽车等交通方式。因此，这些造价昂贵的交通方式发展得较为缓慢，甚至不会发展。而对空间规模较大的城市来说，居民的出行距离较长，需要发展快速公交、轨道交通及小汽车等交通方式。特别是在空间规模大，但密度较低的分散型城市里，不易形成集中的客流，在发展普通公交的同时，小汽车的交通方式将占优势，且发展迅速。

4)城市人口数量和就业分布引导城市交通的发展规模和交通方式的选择

城市的人口数量、人口密度及就业分布状况也是影响城市交通的重要因素。当一个城市的人口数量很大且密度很高时，客流总量就会非常大，靠步行、自行车等方式已不可能满足出行需求，大量发展小汽车又会造成交通拥堵，因此选择发展包括轨道交通和大容量快速公交在内的城市综合交通系统势在必行。城市交通的整体规模必须与城市的总人口相适应，庞大的人口数量必然推动着城市交通向更大的规模和更高的层次发展。另一方面，就业若集中在城市中的几个大的就业中心，会造成就业客流的集中，不仅适合发展公共交通，而且由于空间的局限性，还会限制小汽车的使用。迈克尔·韦格纳(Michael Wegener)和弗郎兹·福斯特(Franz Furst)发现，就业场所的高密度集中分布会使城市中平均交通出行距离增加，但高质量的公共交通会减少小汽车的使用，使人们更多地选择公交方式，若工作出行距离短，还会有更多的人步行或使用自行车^[19]。显然，城市人口总量、就业分布对城市交通规模和交通方式的选择具有一定的引导作用。

5)城市土地利用结构影响客流分布、出行距离和交通方式

土地利用状况，即土地开发强度、建设密度以及土地的混合使用程度等，对城市交通有显著的影响。土地利用形态是出行总量及出行距离的决定因素^[20]。高密度、高强度的城市土地开发，必然造成庞大而集中的交通客流，极易造成城市交通拥堵，常规公交已不能满足居民的出行需要。这种高密度分布的客流不仅对城市交通的整体能力提出了更高的要求，同时，也影响着交通方式的选择，会促进运量大、速度快的交通方式的发展，如轻轨、地铁或“大容量快速公交”(BRT)等。

土地的混合利用是在某一相应区域的土地上，同时具有多种性质的用地结合在一起，发挥土地综合功能的一种用地模式，如住宅与商业、服务业或工业用地的混合利用等。城市土地的混合利用可以使居住地接近工作地点，缩短出行距离。普什卡利夫(Pushkarev)和佐潘(Zupan)的研究表明，高密度居住、到工作地点的距离等是决定公交使用情况的重要因素，而凯瑟琳·罗斯(Catherine L．Ross)等人的研究也证实，高密度居住会导致较少的小汽车出行和较多的非机动车出行^[21]。实际上，居住密度、到工作地点的距离等正是由土地的利用状况决定的。当居住密度较高时，客流分布就较为集中，适合发展公共交通，而不适合小汽车交通;当土地利用的混合程度(如居住与工作、居住与商业等的混合)较高时，又会缩短出行距离，减少出行需求。同时，居住地与工作地点很近时，还会增加步行和自行车交通，减少小汽车的使用。从某种程度上说，在其他条件一定的情况下，城市土地利用状况是决定城市交通运营水平、引导城市交通发展方向的直接因素。

2.1.3.2　城市交通发展对城市空间结构的影响分析

城市交通是城市复杂系统中的一个子系统，在影响城市空间演化的诸多因素中越来越受到人们的重视。城市交通的发展既包括城市内交通基础设施水平、交通工具档次、交通方式结构、交通管理能力和手段的改善，又包括城市交通从整体上与城市发展的匹配程度。过去，人们大都认为发展城市交通主要是为了满足城市居民出行与货物空间位移的需要，交通处于“配套”和次要的地位。但是，城市空间演化的现实表明，城市交通并不总是处于从属地位，而是在很多情况下对城市空间演化起着重要的引导和拉动作用。亚历克斯·阿纳斯(Alex Anas)等人认为，交通和通信的发展决定了现代城市空间结构的形成^[22]。而就交通对城市空间演化的作用而言，其影响是显著的，主要表现在以下几个方面。

1)城市交通引导城市空间格局的演化

城市交通系统的发展，特别是城市对外交通的发展对城市空间格局具有重大引导作用，交通方式的改进和交通网络的建设是引导城市空间格局演变的主要原因，每一次交通方式的改进和交通网络的建设都会推动城市空间格局的演化^[23]。从城市产生的历史来看，交通是在城市形态形成之前，就早已存在的。城市的土地开发，为生活、生产服务的设施布局均沿交通线路展开，形成不同功能的空间，同时随着交通条件的改善，城市功能空间将不断扩大，功能将不断完善。从古代以步行和马拉车为主的交通方式到自行车、有轨电车的盛行，直到目前许多城市大量使用的小汽车、大容量公共汽车以及地铁、轻轨等的发展，交通方式对城市空间的演化都产生了深远的影响。在古代，城市居民的出行受速度的影响，活动范围被限制在狭小的区域内，城市空间规模较小，用地紧凑，人口密集。因此，步行和马拉车等交通方式阻碍了城市空间向外扩张的能力。1888年有轨电车的试验成功及其广泛使用，以及1892年铁路的出现，极大地促进了城市化、工业化的发展，对城市空间形态产生了空前的影响^[24]。城市郊区沿着铁路像串珠一样发展起来，城市空间开始主要沿铁路、电车轨道逐步向外扩展。

轨道交通对城市空间演化的作用是巨大的，这是因为轨道交通具有快速、准时、超大运量等显著特点，能够满足沿线居民的出行需求，并吸引大量居民在轨道沿线或车站附近居住或工作，进而促进了城市空间沿轨道轴线方向的大规模发展。哥本哈根按照其“指形规划”方案，沿每一指形方向修建轨道交通，鼓励和引导城市在轨道附近发展，极大地促进了其城市空间的指形化演化^[25]。

小汽车的广泛使用与地铁、轻轨和大容量公交的快速发展一样，使城市空间演化的形式和规模又发生了巨大变化，主要表现在空间演化不再局限于单中心形式的蔓延，而是出现了多中心、带状以及复合型、低密度等空间扩张方式，空间的扩张规模也明显增大。特别是小汽车交通方式具有快速、舒适、自由度大等特性，更是对城市空间的低密度、大范围扩张产生了巨大的推动作用。例如，以小汽车交通方式为主的美国城市，其空间演化大多向低密度、分散式的方向发展。跳跃式土地利用模式、沿公路带状发展商业、低密度单用途开发是美国城市蔓延的三个主要特点^[26]。所以说，一座城市的形态，一座城市的空间结构，或者说一座城市的规划，都有赖于交通系统的规划先行。

2)城市交通决定城市空间的经济效益

城市交通决定城市空间的经济效益，表现在交通的可达性情况，决定城市规模的边际效益。可达性的概念最早由汉森(Hansen)提出，他将可达性定义为交通网络中各节点相互作用机会的大小^[27]。戴尔维(Dalvi)和马丁(Martin)将其定义为用一种特定的交通系统从某一区位到达任一土地使用活动地点的便利程度^[28]。由此可知，可达性既是一个空间的概念，又具有时间意义和社会经济价值，即城市交通可达性的提高，能够给居民和企业带来节约时间的经济价值^[29]。通常可以用通达指数(accessibility index)来衡量网络中各个交通点之间移动的难易程度。通达指数，是交通网络中从一个顶点到其他所有顶点的最短路径，通达指数越大，通达性越差。通过下列算式可以得到通达指数:

式中:A_i表示顶点i在网络中的通达指数;D_ij表示顶点i到顶点j的最短距离(可以用边，即区间来简单表述)。

城市随着规模不断扩大，其聚集效益不断增加，但是所产生的外部成本也相应地增加，会抵消聚集效益，当外部成本与规模效益刚好抵消的点，就是城市的边际效益等于0的点，这时城市的规模成为城市的最大合理规模，经专家研究得出，城市的规模在200万～400万人之间时，城市规模效益、聚集效益最好;大约在200万人口时，城市聚集效益、规模效益达到了顶峰;随着人口的不断增加，城市的规模效益就逐渐降低。

对城市居民和企业来说，城市交通与其日常的生活、经营密切相关，显著地影响着他们的选址行为。这是因为，城市中的不同位置具有不同的区位优势，其中包括聚集优势和交通优势等。在聚集优势相同的情况下，城市中哪个区域的交通设施完善、可达性好，哪个区域就能吸引更多的居民和工商企业。汤姆逊对世界上30个大城市的交通问题进行研究后发现，一个城市除了受地理上的约束外，城市里不同部分相对可达性的改变，会导致城市结构的改变，除非用规划管理来防止这种变化的发生^[30]。交通条件的改善，降低了居民的出行成本和企业的运输成本，能够给他们带来更多的利益，因此，对居民和企业会产生较强的吸引和影响作用。这种作用可用图2-7来表示。

图2-7中，C₁表示某一区域在没有修建相应的交通线路或交通条件没有改善之前，居住在该区域的居民或企业的出行成本或运输成本;C₂表示该区域修建了相应的交通线路或交通条件改善之后，该区域居民或企业的出行成本或运输成本;D表示交通需求曲线;Q₁、Q₂分别表示修建相应的交通线路或交通条件改善前后对交通的需求人数。显然，Q₂＞Q₁，即由于新交通线路的建设或交通条件的改善，有更多的居民或企业会被吸引到该区域来。

图2-7　交通对居民和企业的吸引

交通条件的改善提高了相应区域的可达性，对居民和企业产生一定的吸引作用，同时，也会使这一区域的土地价格上升。当被吸引来的居民和企业因交通可达性的改善而能获得的收益被土地价格的上涨所抵消时，这种吸引作用就会消失，居民或企业向该区域的迁移就会终止。同样，当城市整体的可达性都提高了，居民和企业将会有更大的选址空间，即居民和企业将在更大的范围内居住、工作、生活和经营，城市也会随之向外扩散、蔓延。

图2-8　交通改善对家庭选址的影响

如图2-8所示，在单中心城市中当只考虑土地(住房)和交通成本时，交通状况的改善对城市居民选址行为的影响。图2-8表示远离市中心每单位距离时，边际土地费用的节约;T₁、T₂分别表示交通改善前、后的边际交通成本。对城市居民来说，离市中心越近，交通成本越低，但住房(土地)成本较高;远离市中心居住，则意味着交通成本的提高和住房成本的降低。追求效用最大化的城市居民，在交通成本降低时，将会选择远离市中心去享受更大的居住空间，直到远离市中心带来的土地成本的节约等于边际交通成本的增加为止。即，交通状况的改善提高了可达性，降低了交通成本，促使城市居民由均衡位置X₁迁移到均衡位置X₂。

企业选址与家庭选址类似，因此，受交通可达性影响的家庭及企业的选址决策改变了城市的规模、结构和密度，影响着城市空间的不断演化。实际上，城市交通与城市空间演化正是通过交通可达性的不断变化这一关键因素来实现二者之间的相互促进和共同发展的。

城市交通的平均汽车行驶速度如果提高3～4倍，则城市的运转效率大幅度提高，城市每平方千米土地上的产出也相应会有所提高。据有关专家估算:在城市交通模式由传统的模式转换为新模式之后，城市每平方千米土地上的产出率大约增长18%左右。城市聚集效益最高的人口规模将从200万人有望提高到800万人左右，城市的最大合理规模有望提高至4000万人左右，可见，城市交通决定城市空间的经济效益。

环渤海地区是我国北方最具有活力的经济区域，它位于我国北部沿海地区，从全球范围来看，处在东北亚经济区的中心地带，是我国北方地区进入太平洋走向世界的重要通道。天津居于环渤海经济圈的中心，是环渤海地区传统的经济、金融中心，工商业大都市。随着滨海新区的建立，天津在全国的位置特别是在京津唐地区的位置越来越重要。随着天津市的快速发展，交通问题必然成为首先要考虑的因素，而进行天津城市空间结构与交通发展的相关性分析，对天津未来的交通网络的优化也具有重要的借鉴及参考价值^[31]。

3)交通成本影响住房价格和居民的迁移趋势

关于城市土地价格(地租)、交通成本与城市发展和土地利用之间的关系，已有不少学者进行了研究，如布鲁柯纳(Brueckner)的城市经济理论模型等^[32]。交通成本对住房价格和居民迁移趋势的影响可以用下列模型加以说明。

假设城市为单中心形态，所有居民都居住在中心区(CBD)以外，并都到中心区工作;居民的收入、消费偏好和效用函数都相同;居民的消费支出只有住房、通勤和其他消费品，而其他消费品抽象为一种商品组合。

那么，居住在距中心区x处的居民的预算约束函数为:

式中:y为居民可支配收入;c为其他消费品数量，其单价设为1;t为单位距离通勤成本;p为单位住房价格;h为住房消费量。

居民的效用函数可表示为:u=U(c，h)

由假设可知，城市内居民没有差异，所以均衡时城市内各区位居民的效用相等。而居民效用的最大化行为，就相当于在预算约束下，求u的条件极值。

因此，建立拉格朗日函数:

对其求偏导，令

得:

对x求偏导经整理得:

对t求偏导可得:

从上式可知，住房价格随着x的增加而下降。随着通勤成本的增加，住房价格将下降。这一方面说明，离城市中心区越远，通勤成本就越高，而较高的通勤成本由较低的住房价格所抵消;另一方面也说明，交通条件的改善会提高相应区域的可达性，降低该区域的出行成本，从而吸引居民向该区域迁移。当出行成本的节约等于住房价格的提高时，这种迁移就会停止。

4)交通工具的变革带动城市空间变化发展

肯尼思·巴顿在其《运输经济学》一书中指出，不同的交通工具将对城市空间带来一定的冲击。天津城市空间发展也符合这一规律。

1860年天津开埠前后，主要交通工具为轿子和独轮车，居民的主要出行方式除了乘坐轿子和独轮车外多为步行，行进速度较慢，出行半径在1千米左右。天津这一时期的城市道路宽度多为2米，路面大多以煤渣、碎石为主要原料铺设，道路格局呈棋盘型，城市路网为方格式街坊路网，城市形态主要表现为团块状发展模式。

20世纪初期，天津城市的公共交通向自动化方向转变。人们的出行方式也开始转向有轨电车、无轨电车等慢速公交系统。与此同时，一些私人小汽车也开始进入高收入水平家庭，居民出行半径扩大到5千米。这一时期天津的交通系统特点，表现为人力车与机动车并存，私人交通与公共交通并存。道路宽度扩展到18米以上，城市形态表现出明显随着城市主干道的延伸而发展。

20世纪20年代至建国前，天津城市呈现人力货车和汽车长期并存，错综交织的运输格局，人们的出行半径增加到10千米。这一时期，天津城市的道路系统向环型放射系统转化。城市格局表现为同心圆式向外蔓延。

建国初期，伴随着经济恢复，规划和建设了一些重要干道。到20世纪7O年代末期，新建改建了多条放射干道，交通布局以环路为基础，外部为环形放射，内部为棋盘式。城市空间格局也随之呈现内部组团式扩张，外部同心圆加指状形态。

进入20世纪80年代后，天津的道路建设大规模地加快进行，先后修建了多条主要干道和地铁工程。到20世纪90年代末期，天津初步建成地下、地面与空中立体式、全方位的交通网络。居民出行方式发生很大变化，助动车、小汽车和地铁、快速公交成为主要的交通工具，市内居民出行半径迅速扩大到50千米以上。城市空间格局也随着交通网络的发展而变化，私人交通的发展，推动了城市内部的蔓延扩张;高速公路的投入使用，推动了城市郊区化发展。天津城市呈现中心城区向外蔓延、郊区卫星城分散布点的格局。

5)城市交通对城市空间演化的影响强度并不是固定不变的

同样的交通设施，如果其建设时机不同，那么，它对城市空间演化的作用大小就会不同，甚至相差甚远。一般来说，当城市处于快速发展的时候，城市交通设施的建设对城市空间演化的影响效果最为明显，不仅会促进城市空间的快速演化，而且还会引导城市空间演化的方向。而当城市处于缓慢发展时期或者已经达到基本成熟期时，交通设施建设对城市空间演化的影响就非常小，更起不到引导方向的作用。交通对城市形态影响的时机问题，主要考虑的是交通建设与城市发展在整体上的关系，属于宏观层次。交通与土地开发建设的时序问题，主要考虑的是具体的交通项目和相关的土地利用项目建设的先后关系，属于微观层次。但是，微观上把握住了时序问题，并不表明在宏观上同时把握好了时机问题，只有同时把握好时机和时序问题，才能促进城市交通与城市空间演化的协调发展^[33]。