陳東偉 劉言彬 徐靈琦 張 帆

1.中國(guó)鐵塔股份有限公司江蘇省分公司；2.華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

在4G 時(shí)代，為進(jìn)一步提高電信基礎(chǔ)設(shè)施共建共享水平，緩解基站選址難、共享難的問題，提升行業(yè)投資效率，鐵塔建設(shè)一般需綜合考慮多家運(yùn)營(yíng)商不同網(wǎng)絡(luò)制式需求和4G 遠(yuǎn)距離廣覆蓋等特點(diǎn)，基站塔型主要選用平臺(tái)式三管塔、角鋼塔、單管塔及景觀塔等傳統(tǒng)塔型，塔型具體占地面積大、高塔、過度美觀、塔身承載冗余過大、造價(jià)較高等特點(diǎn)。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的普及，5G 在組網(wǎng)模式、產(chǎn)品形態(tài)、性能參數(shù)方面均較以前有明顯不同，基站建設(shè)開始逐步實(shí)現(xiàn)由最初的大塔桅、超高天線柱及遠(yuǎn)距離覆蓋，向小塔桅、高密度、近距離覆蓋的有效轉(zhuǎn)變，若仍套用原標(biāo)準(zhǔn)化鐵塔圖集中傳統(tǒng)高塔、平臺(tái)式塔型、全面美化的景觀塔來進(jìn)行基站建設(shè)，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致選址建設(shè)困難、建站成本較高和土地資源浪費(fèi)，也不利于三家運(yùn)營(yíng)商和鐵塔公司降本增效需求。面對(duì)通信環(huán)境多種多樣，5G 基站對(duì)塔桅有了更高的要求，如何在加快5G 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度的同時(shí)做好成本管控，是擺在鐵塔公司面前的當(dāng)務(wù)之急，這就需要我們拓展思路、優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合當(dāng)前環(huán)境來滿足移動(dòng)通信基站新的建設(shè)需求。

1 傳統(tǒng)塔型使用現(xiàn)狀和存在問題

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，目前迎來了5G 網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模建設(shè)，5G建設(shè)初期針對(duì)必須采取新建塔桅方式建站的場(chǎng)景，主要還是套用原標(biāo)準(zhǔn)鐵塔圖集中帶平臺(tái)式單管塔、三管塔、整體美化的景觀塔等塔身承載冗余較大的傳統(tǒng)塔型，而在實(shí)踐中，早期塔圖已不適用于5G 快速、經(jīng)濟(jì)、高效部署的需求。為探明早期塔圖存在問題的根本原因，并為后續(xù)塔桅優(yōu)化提供改進(jìn)思路，現(xiàn)就目前存在的問題進(jìn)行簡(jiǎn)要剖析。

（1）位移控制標(biāo)準(zhǔn)較高。傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)圖集中單管塔塔身位移控制標(biāo)準(zhǔn)較高，依據(jù)《移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（YDT 5131-2005）及《通信鐵塔技術(shù)要求 V1.1》（Q/ZTT 1001—2015）中相關(guān)說明規(guī)定：“單管塔在以風(fēng)荷載為主的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下，塔頂?shù)乃轿灰撇粦?yīng)大于塔高的1/40?！爆F(xiàn)行《移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（YDT 5131-2019）中已放松調(diào)整至不大于塔高的1/33。現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)單管塔塔身位移控制標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)塔身位移控制標(biāo)準(zhǔn)

（2）掛載天線數(shù)量較多。由于鐵塔公司需統(tǒng)籌三家運(yùn)營(yíng)商需求合并建塔，且運(yùn)營(yíng)商天線制式各異，因而建設(shè)的塔掛載天線數(shù)量要多于原運(yùn)營(yíng)商塔，從而導(dǎo)致?lián)躏L(fēng)面積增大，繼而導(dǎo)致內(nèi)力增大，塔身直徑及壁厚相應(yīng)增大。

（3）掛載天線面積較大。鐵塔新建塔時(shí)需綜合考慮三家運(yùn)營(yíng)商的天線尺寸，很難通過規(guī)劃控制三家運(yùn)營(yíng)商在實(shí)際使用時(shí)的天線面積，因而目前推出的標(biāo)準(zhǔn)塔型掛載天線面積要比各運(yùn)營(yíng)商面積大，標(biāo)準(zhǔn)圖集中每根抱桿掛載的4G 天線和RRU迎風(fēng)面積之和均按0.8 ㎡、重量按33kg 設(shè)計(jì)考慮。通過研究分析主流廠商的天線設(shè)備參數(shù)，對(duì)比4G 產(chǎn)品可知，5G 天線設(shè)備迎風(fēng)面比4G 天線小、但重量更大，5G 單付天線面積約0.5㎡、重量約50kg。

（4）無線網(wǎng)絡(luò)傳輸和覆蓋距離較遠(yuǎn)。運(yùn)營(yíng)商2G～4G 網(wǎng)絡(luò)以廣覆蓋為主，以一般市區(qū)、縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村場(chǎng)景居多，需要配合高塔才能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離廣覆蓋。

2 5G 低成本塔桅方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

為更好地滿足5G 低成本、高效率建設(shè)需求，支撐公司深化市場(chǎng)化變革，江蘇鐵塔積極支撐總部研發(fā)推出綠色低碳塔等創(chuàng)新產(chǎn)品，通過需求精細(xì)化、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)約化、設(shè)計(jì)參數(shù)精細(xì)化等手段，調(diào)整優(yōu)化鋼材原材料規(guī)格及選型、充分挖掘了鋼材的材料性能、考慮天線面積折減系數(shù)、分場(chǎng)景提供不同高度塔型等，相繼形成了企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《低成本鐵塔標(biāo)準(zhǔn)圖集 V1.0》和《低成本鐵塔標(biāo)準(zhǔn)圖集 V2.0》，滿足客戶需求的同時(shí)，為行業(yè)降本增效。

2.1 需求精細(xì)化

（1）降低塔高。根據(jù)2019 ～2020 年4G/5G 新建塔場(chǎng)景、塔型、掛高的分析，結(jié)合4G/5G 技術(shù)演進(jìn)及運(yùn)營(yíng)商建網(wǎng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)，分場(chǎng)景精準(zhǔn)匹配客戶掛載需求，避免過度預(yù)留。未來一段時(shí)期新建站址主要集中于已建成區(qū)域補(bǔ)點(diǎn)（市區(qū)縣城/鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村），塔高以25 米、30 米為主；普遍服務(wù)，以20 米以下落地拉線塔、支撐桿和增高架為主；高鐵沿線覆蓋，塔高以35 米、40 米為主；城市縣城新區(qū)，塔高以30 米、35 米燈桿景觀塔為主；塔高45 米及以上高塔場(chǎng)景應(yīng)用較少?；谝陨系姆治龊皖A(yù)測(cè)對(duì)各場(chǎng)景需求進(jìn)行精細(xì)化配置。

（2）優(yōu)化天線數(shù)量和面積?？紤]電聯(lián)競(jìng)合、移動(dòng)天面整合后塔類平臺(tái)數(shù)需求下降的情況，單管塔、三管塔考慮兩層支架約6～9 根天線抱桿，景觀塔考慮3～4 層支架約9～12 根天線抱桿并采取部分美化措施。每根抱桿限掛天線和RRU 迎風(fēng)面積，由原先統(tǒng)一按最大面積0.8 ㎡改為按支架高度梯次遞減至0.6～0.7 ㎡。

2.2 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)約化

在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下通過優(yōu)化塔身結(jié)構(gòu)、優(yōu)化材料選用、附屬設(shè)施優(yōu)化等舉措實(shí)現(xiàn)塔身輕量化設(shè)計(jì)。

2.2.1 單管塔

（1）在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下合理選擇桿塔管徑：當(dāng)應(yīng)力比起控制作用時(shí)，主材可選用高強(qiáng)度鋼材，同時(shí)適當(dāng)減小管徑，以減小塔身重量和塔基尺寸，從而降低綜合造價(jià)；當(dāng)水平位移起控制作用時(shí)，如采用大管徑薄壁厚鋼材對(duì)綜合造價(jià)有利時(shí)，應(yīng)選擇大管徑薄壁厚主材，反之應(yīng)適當(dāng)減小管徑增加壁厚以實(shí)現(xiàn)綜合造價(jià)最優(yōu)。

（2）充分考慮構(gòu)件市場(chǎng)常規(guī)流通長(zhǎng)度并結(jié)合運(yùn)輸條件合理進(jìn)行塔體分段設(shè)計(jì)。

（3）優(yōu)先選用4mm、5mm 和6mm 厚鋼板，鋼管徑厚比應(yīng)滿足《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50135-2019）的相關(guān)規(guī)定，考慮加工運(yùn)輸?shù)纫蛩夭捎?mm 鋼板制作的鋼管徑厚比建議不宜超過150。

2.2.2 三管塔

（1）首先考慮天線抱桿直接附著于塔柱，其次考慮精簡(jiǎn)天線抱桿與塔身的連接，天線支架盡量靠近塔柱設(shè)置。

（2）平臺(tái)宜采用簡(jiǎn)易內(nèi)平臺(tái)。

（3）主材為鋼管時(shí)優(yōu)先選用4mm 和5mm 厚鋼管，當(dāng)構(gòu)件不能滿足需求時(shí)，優(yōu)先選擇更大管徑（壁厚不變），次選增加壁厚。

2.2.3 附屬設(shè)施

單管塔取消大平臺(tái)，簡(jiǎn)化為天線支架結(jié)構(gòu)做法，減少平臺(tái)風(fēng)荷載同時(shí)降低加工難度、提高加工效率、降低管塔變形。三管塔取消天線支架，變支架掛載為塔身掛載，塔身雙斜撐變?yōu)閱涡睋沃?；爬梯形式由外爬釘?yōu)化為外爬魚刺梯，減少鋼管的焊接變形。變安裝平臺(tái)為腳踏板等。通過一系列附屬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，可降低塔身風(fēng)荷載、減小塔重。

2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)精細(xì)化

本文依據(jù)新行標(biāo)《移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（YD/T 5131-2019），在塔身設(shè)計(jì)時(shí)合理確定相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，要點(diǎn)如下：

（1）天線數(shù)量及面積：依據(jù)當(dāng)前4G/5G 實(shí)際需求確定天線數(shù)量及擋風(fēng)面積，支架或平臺(tái)上安裝的天線面積應(yīng)據(jù)實(shí)進(jìn)行折減。

1）3 副及以上天線均安裝于鋼塔桅的同一外挑平臺(tái)時(shí)，天線總的擋風(fēng)面積可按天線數(shù)量乘以天線正面面積，并乘以表2 中對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)K1。

表2 折減系數(shù)K1

2）3 副及以上天線均安裝于同一高度的單管塔塔身且該處塔身直徑與天線寬度的比值不小于1.1 時(shí)，天線總的擋風(fēng)面積可按天線數(shù)量乘以天線正面面積，并乘以表3 中對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)K2，表3 中的外挑距離L 和天線寬度B 如圖1 所示。

圖1 單管塔塔身及天線示意圖

表3 折減系數(shù)K2

（2）阻尼比：格構(gòu)式塔（三管塔、角鋼塔等）設(shè)計(jì)時(shí)阻尼比應(yīng)取0.02。

（3）水平位移限值：?jiǎn)喂芩轿灰葡拗?，由原先風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下塔高的1/40 降低至1/33，插接式塔在應(yīng)力水平普遍不高于0.8 時(shí)，可采用1/30。

（4）其他參數(shù)：設(shè)計(jì)風(fēng)壓、地面粗糙度等參數(shù)應(yīng)據(jù)實(shí)取值。

常見幾種同類型低成本塔與傳統(tǒng)塔型相關(guān)參數(shù)對(duì)比如圖2至圖4、表4 至表6 所示。

圖2 傳統(tǒng)塔與低成本塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖對(duì)比（單管塔）

圖3 傳統(tǒng)塔與低成本塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖對(duì)比（三管塔）

圖4 傳統(tǒng)塔與低成本塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖對(duì)比（燈桿景觀塔）

表4 傳統(tǒng)塔與低成本塔關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)對(duì)比表（單管塔）

表5 傳統(tǒng)塔與低成本塔關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)對(duì)比表（三管塔）

表6 傳統(tǒng)塔與低成本塔關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)對(duì)比表（燈桿景觀塔）

2.4 應(yīng)用情況及效益

本套低成本鐵塔創(chuàng)新技術(shù)方案，通過對(duì)前期傳統(tǒng)通信鐵塔類相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)圖集使用現(xiàn)狀和目前存在問題進(jìn)行剖析，提出了本次低成本鐵塔優(yōu)化改進(jìn)思路，并相繼形成了企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《低成本鐵塔標(biāo)準(zhǔn)圖集 V1.0》和《低成本鐵塔標(biāo)準(zhǔn)圖集V2.0》。截止目前，江蘇已累計(jì)使用低碳塔2560 座，低碳塔使用數(shù)量約占近三年使用落地塔比例的44%。相比同類型傳統(tǒng)塔型，低碳塔每座可節(jié)約0.5～1.5 噸鋼材，據(jù)測(cè)算，節(jié)約1 噸鋼材用量等同于減少1.83 噸二氧化碳排放，若以江蘇目前低碳塔使用基數(shù)測(cè)算，江蘇目前大約已節(jié)約鋼材2415 噸、降碳4420 噸。低碳塔技術(shù)方案的推出及規(guī)?；瘧?yīng)用，在滿足客戶需求、實(shí)現(xiàn)降本增效的同時(shí)，亦能夠減少能源消耗和污染物排放，助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)，可有序推動(dòng)新型信息基礎(chǔ)設(shè)施綠色高質(zhì)量發(fā)展。

3 后續(xù)主要研究方向

通信基站選址與鐵塔設(shè)計(jì)是通信基站工程建設(shè)質(zhì)量的重要保證。鐵塔設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是滿足通信覆蓋的要求，隨著頻段擴(kuò)展、征地費(fèi)用增加、環(huán)保和美觀等需求發(fā)展，通信鐵塔類型越來越多，塔桅選型應(yīng)根據(jù)塔型特點(diǎn)、建站需求、現(xiàn)場(chǎng)條件等因素，依據(jù)“安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀”的原則，在能夠確保目標(biāo)區(qū)覆蓋的情況下，應(yīng)選擇投資最節(jié)約、建設(shè)周期最短的塔桅類型。在對(duì)塔桅優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)桿塔進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，將塔桅的負(fù)荷降低，使其設(shè)計(jì)符合要求，目前5G 塔桅結(jié)構(gòu)優(yōu)化還存在不足，后續(xù)可在以下幾點(diǎn)展開進(jìn)一步研究。

（1）對(duì)桿塔進(jìn)行技術(shù)升級(jí)

積極推進(jìn)“多桿合一”桿塔模式，將通訊微基站、交通信號(hào)燈、各種路牌、公交站牌以及公安監(jiān)控等各種載體充分利用起來，將各種資源整合設(shè)置桿塔，實(shí)現(xiàn)多種桿件共建共享集約化建設(shè)，發(fā)揮塔桿的集聚效益，提高基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)水平和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

（2）降低塔桅的負(fù)荷

為了降低塔桅當(dāng)前所承載的負(fù)荷，需要采用多種方式，提出科學(xué)有效的措施，使得鐵塔有更高的承載能力增加掛載。一方面可優(yōu)化塔形，如在考慮滿足鐵塔生產(chǎn)廠家加工工藝的前提下，對(duì)塔身增加折邊數(shù)量等，可進(jìn)一步降低風(fēng)荷載，從而減小塔根部直徑。另一方面可細(xì)化建設(shè)地點(diǎn)，目前通信鐵塔標(biāo)準(zhǔn)圖集均按B類場(chǎng)景設(shè)計(jì)，對(duì)于在城市核心區(qū)建設(shè)的站點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)際的場(chǎng)地地面粗糙度按A 類場(chǎng)地進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，達(dá)到減少塔身風(fēng)荷載從而減小塔根部直徑、降低塔重的目的。

（3）探索塔身新材料

可積極探索塔身新材料的創(chuàng)新應(yīng)用，如高強(qiáng)度鋼材、復(fù)合材料等。高強(qiáng)度鋼材，基于市場(chǎng)供應(yīng)、采購(gòu)等考慮推薦優(yōu)先采用Q420B，針對(duì)由主材應(yīng)力控制的塔型（如三管塔、角鋼塔、增高架等），塔體主材可以選擇采用高強(qiáng)度鋼材，提高塔體主材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，減少主材大小和壁厚或是在保持主材型號(hào)不變的情況下減少塔身根開，降低塔身重量，方便運(yùn)輸和安裝，降低造價(jià)。復(fù)合材料桿塔輕質(zhì)高強(qiáng)，易于人工搬運(yùn)及安裝，可解決二次搬運(yùn)難、安裝難的問題，降低敏感站點(diǎn)進(jìn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)階段復(fù)合材料桿塔在通信行業(yè)的應(yīng)用尚屬于起步階段，原則上只有通過真型（整塔足尺模型）試驗(yàn)驗(yàn)證的塔型才可以在不超過測(cè)試荷載工況下的工程建設(shè)中規(guī)模應(yīng)用，且復(fù)合材料單管塔目前主要應(yīng)用于低風(fēng)壓地區(qū)且高度控制在30米以下，待技術(shù)驗(yàn)證成熟后可探索應(yīng)用于更高塔型。

4 結(jié)束語

為落實(shí)國(guó)家5G 新基建戰(zhàn)略，更好地滿足5G 低成本、高效率建設(shè)需求，本文首先通過對(duì)以往標(biāo)準(zhǔn)鐵塔圖集中傳統(tǒng)塔型使用現(xiàn)狀和存在的弊端進(jìn)行剖析，結(jié)合當(dāng)前運(yùn)營(yíng)商5G 網(wǎng)絡(luò)部署特點(diǎn)，提出了低成本鐵塔優(yōu)化改進(jìn)方向，通過需求精細(xì)化、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)約化、設(shè)計(jì)參數(shù)精細(xì)化等方法對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)塔型進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化，充分挖掘了鋼材的材料性能，研發(fā)出適應(yīng)不同場(chǎng)景、不同高度、不同掛載能力的低碳塔型，并相繼形成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在滿足客戶需求的同時(shí)，為行業(yè)降本增效。此外，在對(duì)現(xiàn)有塔桅結(jié)構(gòu)研究基礎(chǔ)上，還指明了后續(xù)可在“多桿合一”桿塔模式、塔形優(yōu)化和細(xì)化建設(shè)場(chǎng)景以及探索耐候鋼作為塔身新材料等方面展開研究，在技術(shù)升級(jí)的同時(shí)促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，可有序推動(dòng)新型信息基礎(chǔ)設(shè)施綠色高質(zhì)量發(fā)展。