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2、综合实践活动课程与学科结合案例（24届省青少年科技创新大赛一等奖）
停车场车位布局的优化设计
一． 停车场车位布局设计问题的提出及背景分析
随着经济迅猛发展，人民生活水平的提高，近年来城市车辆数量激增，停车位的需求量越来越大，停车难已逐渐成为市民们头疼的问题，也是政府部门急需解决的热点难点问题。要缓解停车难矛盾，除了尽可能多地增加停车场以外，对已有停车场的布局进行科学合理的规划设计也同样有着十分重要的作用。
客观地说对停车场和车位的设计目前已有一些规范性行业标准，但这主要是涉及诸如车位大小、高度、通道材质、坡度、采光、给排水等一些细节问题，如何根据这些行业标准对具体的停车场进行优化设计则还需做许多工作。至少从我们的实地勘察所见，时下不少停车场及其车位尽管总体符合有关标准，但设计方面还是存在着一定的欠缺，特别是在车位布局上，使之无法容纳本应能够容纳的更多车辆。我们也查阅了相关资料，发现现有此类研究数量不多，而且基本上以某一大小、形状确定的停车场为前提条件，对停车区域进行优化设计，这对其他停车场的布局设计固然会有参考价值，但是如果简单推而广之未必真正是一个优化方案。我们选择这一课题进行研究的目的就是希望进一步分析停车场车位的平面布局设计问题，力图找出一种既能够科学合理地规划布局停车位和行车通道以便更多停放车辆、又能够较为方便快速运用的通用优化设计方法。 二．停车场车位布局设计的基本原则及条件假设
考虑到目前城市中车辆数增长最快、保有量最大的车型是小型汽车，日常停车矛盾最大的也是小型汽车，因此本研究主要针对小型车专用停车场布局问题。当然，对其他车型的停车场布局设计而言，本项研究的基本思路和方法是可以沿用的。如果是针对可容纳多种车型的停车场，那么或者可以对不同车型停放进行分区规划；或者可以在停车场出入口附近等进出较为方便、且不影响其他车辆的场地通过临时占用其他车型的若干车位形式加以解决，比如大中型车辆可以横向占用三至四个小型车车位。虽然，各个停车场具体情况有所不同，但我们认为在规划设计上都应该遵循如下原则：
第一，最大化原则：停车位设计对场地的利用效率最大化；
第二，便利性原则：车辆进出车位和整个停车场方便，对交通影响小，并
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且通道占地面积少，以增加停车车位。
第三，安全性原则：车位的划分精确、科学，使驾驶者在车辆停放和进出时具有安全性，包括司乘人员和车辆的安全，避免各种碰撞和刮擦。
基于以上原则，在停车场平面布局的研究中可给出如下前提条件： 1．每个停车位置与通道之间不存在其他车位的阻隔，每一辆车能够独立进出车位，无需移开四周任何其他车辆。除极少数专用停车场外，绝大多数停车场不会雇用经验丰富的专职司机负责停放汽车，所以规划的车位应该保证绝大多数司机在正常情况下都可以将自己的车辆安全停放到车位里，这样车位的长和宽尺寸不能过大或过小：过大会影响停车场容纳车辆的数量，过小车辆停放就会有困难。根据国家和省有关停车场行业标准，结合实际调查，目前小型车长度和宽度一般都在4.8米和1.8米以内，相应地，如果车位与通道以垂直或斜列方式排列，则其长（PL）和宽（PW）分别是5.3米和2.4米；如果车位与通道以平行方式排列，车辆头尾部相对或相背，则必须预留能够保证车辆进出的足够的前后距离，其长度PL＝6米。上述车位长宽尺寸中均已包含了0.1米的停车位标志线宽度。见图1。
2．在任何一个停车场中通道如果数量过多、宽度过大，势必会压缩停车空间。为减少通道的宽度和停车场中全部通道的面积，充分利用通道空间，从而相应增大停车面积，停车场中的通道应该一律是单行的；每一通道两边各安排一排车位（后文中也称作“车位带”），且每排中所有车位都保持相同的角度排列。
3．每个停车场中必须设置的灯光照明、供水消防设施和可能情况下设置的如绿化等辅助设备设施都可以利用停车场中存在的一些无法设置车位的边角位置妥善安排，因此在进行理论分析时暂不予考虑。 三． 停车场车位布局优化设计的理论分析
通过对停车场布局设计的分析，我们可以发现车位和通道是构成一个停车场的两个关键性元素。
（一）车位及其排列问题分析
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一个停车场如果要能停放更多的车辆，首先取决于停车位本身的大小。如前所述，按照有关标准，每个车辆头尾相接的平行方式排列车位的占地面积（6×2.4＝14.4㎡）比垂直或斜列方式排列的单个车位占地面积(5.3×2.4＝
12.72㎡)要大，加之这种车位的停车难度也较大，所以在一般情况下停车场应该避免大量采用。进一步分析车位的布局涉及两方面问题：
一是车位的角度。
以平行方式排列车位角度为0°，垂直方式排列车位为90°，由于车辆可以采用前进方式进入车位，也可以采用后退方式进入车位，所以我们可以把车位角度设定在0°至90°之间；考虑到要使车辆排列时完全避免头尾部相对或相背，
2.4必须使两个车位呈如图2排列，此时tanθ＝，则不难计算出车位排列角度
5.3θ≥24.36°，因此斜列和垂直车位角度范围为24.36°≤θ≤90°。
二是车位的排列。
停车场内符合前述条件的车位排列有两种：单排排列和双排组合排列。单排排列一般分布在停车场的四边，停车场中间（我们可称之为主停车区）则主要采用双排组合排列。从我们实地考察和理论推演来看，其中后者以垂直方式排列可以有一种情况，以斜列方式排列则可有两种情况，这里称之为相离方式和相错方式，见图3所示。
双排垂直方式排列：
双排斜列方式排列： 相离方式：
① ②
相错方式：
① ②
图3
其中相离方式的车位要保证车辆正常停放，且不对通道产生影响，必须能够内接一个标准的5.3m×2.4m斜列车位，这样在两个车位之间必然会产生较多的空间
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浪费，如图4灰色部分。所以这种方式的双排车位布局与相同角度的双排相错方式车位布局相比无疑要不经济。另外，双排垂直方式排列的车位事实上可以看作双排斜列相错方式的特例。所以我们下面关于双排斜列方式排列车位的研究集中
于分析相错方式排列，后文所有双排斜列方式的提法均指这种相错排列。
图4
就每个斜列车位而言，由于每个车位与通道或停车场边界会产生一个无法利用的三角形场地，其面积会因为斜角大小不同而不同（见图5），我们可以得到双排斜列车位不同角度情况下的斜列车
位面积S1与斜角θ的函数关系：
12S1?PL?P?PWWcot? （1）
212如单排排列则增加一个面积为PWcot?的同形
2状的无法利用的三角形场地。同时，还可得出：
第一，该车位带实际占用宽度L： 图5 单排排列（图5中用a表示）：
L?sin??(PL?PWcot?)?PLsin??PWcos?，
双排排列中的单个车位带（图5中用b表示）：
1L?PLsin??PWcos?，
2单排排列比双排排列的单个车位带宽度大⊿
1L?PWcos?。
2第二，单个车位在通道边线上实际占有的宽
P??W 度PWsin?当然，就一个斜列车位带来看，在其两端还会存在两个无法利用的面积，我们这里按理想状况假设该车位带是无限长的，这样该车位带两端无法利用的面积如果被平均公摊到每个车位上去则面积很小，可以忽略不计，后面的分析运算遵从此假定。
另外，从上面的分析看，在实际规划斜列车位时，一是为使斜列车位带每个车位公摊的该排两端无法利用的面积尽可能小，我们在条件许可情况下应保证该车位带有足够长度。二是如果这里斜角θ太小将对该车位带车位数量产生影响。
（二）通道问题分析
要能停放更多的车辆，在保证停车场车辆顺畅通行的条件下还必须控制通道
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的宽度，使每个停车位分摊的通道面积尽可能减少，因为只有这样才能更多安排停车车位。这里，通道的宽度又与车位的角度有密切关联，车辆以90°角转入车位比以45°角转入车位所需的通道宽度显然要大。具体分析如下：
如图6，从运行轨迹看，汽车从通道转入车位即汽车回转时汽车的外侧车轮循圆曲线运行进入以θ角斜列的车位，这段圆曲线半径即最小转弯半径R，根据有关停车场行业标准，结合实际调查，小型车R＝6m；与此同时，汽车的内侧车轮同样循圆曲线运行，且与外侧圆曲线为一同心圆，其r＝6－1.8 = 4.2m，通过分析，通道最小净宽度与θ角的关系为RW＝R－rcosθ，考虑到车辆在通道行驶时需要与两侧
可能存在的车辆保持一个安全距离，参考有关行业标准，我们以后可令通道最小宽度为R-rcosθ＋0.5m，通道较窄时尤需如此。 图6
根据以上分析可以得出结论：θ角越大通道宽度越大。 按通道两边各安排一排车位的约定，这样我们又可以推导出每个车位分摊的通道面积S2：
PS2?W?Rw (2)
2sin?（三）车位带与通道组合情况的若干分析
首先，根据停车场中应该尽可能减少通道占用面积的原则，两个平行车位带共用中间一条通道是最为经济的，这种通道和车位带设计最为理想。进一步说，如果设车位带数为XP，通道数为XR，则XP = 2XR时是最理想的。
其次，当场地大小一定的条件下，通道两侧的两排斜列车位带设置的车位倾斜角度θ相同时能够设置的车位数之和大于倾斜角度θ不同两排车位带可设置的车位数之和。证明如下：
假定在一个长和宽为a、b定值的矩形场地上，可以安排两个车位带夹一条通道。两侧车位带一是都设置以
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