5G 低成本塔桅建設(shè)方案優(yōu)化

陳東偉 劉言彬 徐靈琦 張 帆

1.中國鐵塔股份有限公司江蘇省分公司；2.華信咨詢設(shè)計研究院有限公司

0 引言

在4G 時代，為進一步提高電信基礎(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營商不同網(wǎng)絡(luò)制式需求和4G 遠距離廣覆蓋等特點，基站塔型主要選用平臺式三管塔、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、造價較高等特點。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)開始逐步實現(xiàn)由最初的大塔桅、超高天線柱及遠距離覆蓋，向小塔桅、高密度、近距離覆蓋的有效轉(zhuǎn)變，若仍套用原標準化鐵塔圖集中傳統(tǒng)高塔、平臺式塔型、全面美化的景觀塔來進行基站建設(shè)，勢必會導(dǎo)致選址建設(shè)困難、建站成本較高和土地資源浪費，也不利于三家運營商和鐵塔公司降本增效需求。面對通信環(huán)境多種多樣，5G 基站對塔桅有了更高的要求，如何在加快5G 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度的同時做好成本管控，是擺在鐵塔公司面前的當務(wù)之急，這就需要我們拓展思路、優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合當前環(huán)境來滿足移動通信基站新的建設(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)初期針對必須采取新建塔桅方式建站的場景，主要還是套用原標準鐵塔圖集中帶平臺式單管塔、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，而在實踐中，早期塔圖已不適用于5G 快速、經(jīng)濟、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)化提供改進思路，現(xiàn)就目前存在的問題進行簡要剖析。

（1）位移控制標準較高。傳統(tǒng)標準圖集中單管塔塔身位移控制標準較高，依據(jù)《移動通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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：“單管塔在以風荷載為主的荷載標準組合下，塔頂?shù)乃轿灰撇粦?yīng)大于塔高的1/40?！爆F(xiàn)行《移動通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（YDT 5131-2019）中已放松調(diào)整至不大于塔高的1/33?，F(xiàn)行規(guī)范和標準對單管塔塔身位移控制標準見表1。

表1 現(xiàn)行規(guī)范和標準對塔身位移控制標準

（2）掛載天線數(shù)量較多。由于鐵塔公司需統(tǒng)籌三家運營商需求合并建塔，且運營商天線制式各異，因而建設(shè)的塔掛載天線數(shù)量要多于原運營商塔，從而導(dǎo)致?lián)躏L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。鐵塔新建塔時需綜合考慮三家運營商的天線尺寸，很難通過規(guī)劃控制三家運營商在實際使用時的天線面積，因而目前推出的標準塔型掛載天線面積要比各運營商面積大，標準圖集中每根抱桿掛載的4G 天線和RRU迎風面積之和均按0.8 ㎡、重量按33kg 設(shè)計考慮。通過研究分析主流廠商的天線設(shè)備參數(shù)，對比4G 產(chǎn)品可知，5G 天線設(shè)備迎風面比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。運營商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)村場景居多，需要配合高塔才能實現(xiàn)遠距離廣覆蓋。

2 5G 低成本塔桅方案優(yōu)化設(shè)計

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，通過需求精細化、設(shè)計簡約化、設(shè)計參數(shù)精細化等手段，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)、分場景提供不同高度塔型等，相繼形成了企業(yè)技術(shù)標準《低成本鐵塔標準圖集 V1.0》和《低成本鐵塔標準圖集 V2.0》，滿足客戶需求的同時，為行業(yè)降本增效。

2.1 需求精細化

（1）降低塔高。根據(jù)2019 ～2020 年4G/5G 新建塔場景、塔型、掛高的分析，結(jié)合4G/5G 技術(shù)演進及運營商建網(wǎng)趨勢預(yù)測，分場景精準匹配客戶掛載需求，避免過度預(yù)留。未來一段時期新建站址主要集中于已建成區(qū)域補點（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 米及以上高塔場景應(yīng)用較少?；谝陨系姆治龊皖A(yù)測對各場景需求進行精細化配置。

（2）優(yōu)化天線數(shù)量和面積。考慮電聯(lián)競合、移動天面整合后塔類平臺數(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)計簡約化

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)化等舉措實現(xiàn)塔身輕量化設(shè)計。

2.2.1 單管塔

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

（2）充分考慮構(gòu)件市場常規(guī)流通長度并結(jié)合運輸條件合理進行塔體分段設(shè)計。

（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)計標準》（GB 50135-2019）的相關(guān)規(guī)定，考慮加工運輸?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）平臺宜采用簡易內(nèi)平臺。

（3）主材為鋼管時優(yōu)先選用4mm 和5mm 厚鋼管，當構(gòu)件不能滿足需求時，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，簡化為天線支架結(jié)構(gòu)做法，減少平臺風荷載同時降低加工難度、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危慌捞菪问接赏馀泪攦?yōu)化為外爬魚刺梯，減少鋼管的焊接變形。變安裝平臺為腳踏板等。通過一系列附屬結(jié)構(gòu)簡化，可降低塔身風荷載、減小塔重。

2.3 設(shè)計參數(shù)精細化

本文依據(jù)新行標《移動通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（YD/T 5131-2019），在塔身設(shè)計時合理確定相關(guān)設(shè)計參數(shù)，要點如下：

（1）天線數(shù)量及面積：依據(jù)當前4G/5G 實際需求確定天線數(shù)量及擋風面積，支架或平臺上安裝的天線面積應(yīng)據(jù)實進行折減。

1）3 副及以上天線均安裝于鋼塔桅的同一外挑平臺時，天線總的擋風面積可按天線數(shù)量乘以天線正面面積，并乘以表2 中對應(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，天線總的擋風面積可按天線數(shù)量乘以天線正面面積，并乘以表3 中對應(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)計時阻尼比應(yīng)取0.02。

（3）水平位移限值：單管塔水平位移限值，由原先風荷載標準組合下塔高的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，可采用1/30。

（4）其他參數(shù)：設(shè)計風壓、地面粗糙度等參數(shù)應(yīng)據(jù)實取值。

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)簡圖對比（單管塔）

圖3 傳統(tǒng)塔與低成本塔結(jié)構(gòu)簡圖對比（三管塔）

圖4 傳統(tǒng)塔與低成本塔結(jié)構(gòu)簡圖對比（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，通過對前期傳統(tǒng)通信鐵塔類相關(guān)標準圖集使用現(xiàn)狀和目前存在問題進行剖析，提出了本次低成本鐵塔優(yōu)化改進思路，并相繼形成了企業(yè)技術(shù)標準《低成本鐵塔標準圖集 V1.0》和《低成本鐵塔標準圖集V2.0》。截止目前，江蘇已累計使用低碳塔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)模化應(yīng)用，在滿足客戶需求、實現(xiàn)降本增效的同時，亦能夠減少能源消耗和污染物排放，助力實現(xiàn)碳達峰碳中和目標，可有序推動新型信息基礎(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)計是通信基站工程建設(shè)質(zhì)量的重要保證。鐵塔設(shè)計的主要目標是滿足通信覆蓋的要求，隨著頻段擴展、征地費用增加、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、建站需求、現(xiàn)場條件等因素，依據(jù)“安全、適用、經(jīng)濟、美觀”的原則，在能夠確保目標區(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。在對塔桅優(yōu)化設(shè)計過程中，需要對桿塔進行技術(shù)升級，將塔桅的負荷降低，使其設(shè)計符合要求，目前5G 塔桅結(jié)構(gòu)優(yōu)化還存在不足，后續(xù)可在以下幾點展開進一步研究。

（1）對桿塔進行技術(shù)升級

積極推進“多桿合一”桿塔模式，將通訊微基站、交通信號燈、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)水平和社會經(jīng)濟價值。

（2）降低塔桅的負荷

為了降低塔桅當前所承載的負荷，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，對塔身增加折邊數(shù)量等，可進一步降低風荷載，從而減小塔根部直徑。另一方面可細化建設(shè)地點，目前通信鐵塔標準圖集均按B類場景設(shè)計，對于在城市核心區(qū)建設(shè)的站點，可根據(jù)實際的場地地面粗糙度按A 類場地進行計算設(shè)計，達到減少塔身風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，如高強度鋼材、復(fù)合材料等。高強度鋼材，基于市場供應(yīng)、采購等考慮推薦優(yōu)先采用Q420B，針對由主材應(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度鋼材，提高塔體主材的設(shè)計強度，減少主材大小和壁厚或是在保持主材型號不變的情況下減少塔身根開，降低塔身重量，方便運輸和安裝，降低造價。復(fù)合材料桿塔輕質(zhì)高強，易于人工搬運及安裝，可解決二次搬運難、安裝難的問題，降低敏感站點進場風險。現(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）試驗驗證的塔型才可以在不超過測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)用于低風壓地區(qū)且高度控制在30米以下，待技術(shù)驗證成熟后可探索應(yīng)用于更高塔型。

4 結(jié)束語

為落實國家5G 新基建戰(zhàn)略，更好地滿足5G 低成本、高效率建設(shè)需求，本文首先通過對以往標準鐵塔圖集中傳統(tǒng)塔型使用現(xiàn)狀和存在的弊端進行剖析，結(jié)合當前運營商5G 網(wǎng)絡(luò)部署特點，提出了低成本鐵塔優(yōu)化改進方向，通過需求精細化、設(shè)計簡約化、設(shè)計參數(shù)精細化等方法對現(xiàn)有傳統(tǒng)塔型進行創(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)標準，在滿足客戶需求的同時，為行業(yè)降本增效。此外，在對現(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)化和細化建設(shè)場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)升級的同時促進了經(jīng)濟增長，可有序推動新型信息基礎(chǔ)設(shè)施綠色高質(zhì)量發(fā)展。