新建通信鐵塔最優設計造價的快速分析工具

呂建春 朱松林

摘 要：新建通信鐵塔在進行地基基礎設計時，常用的各種設計軟件有Morgain、世紀旗云、理正結構工具箱等，其各計算模塊之間相互獨立，不利于快速判定最優方案。本文中的“方案比選工具”針對常用的三種塔型（單管塔、三管塔、角鋼塔）編制快速計算軟件，利用VB語言在Excel中的運用，只需一次輸入計算參數，可一鍵生成最優基礎尺寸，及時呈現最優造價及相應的基礎形式。

關鍵詞：新建通信鐵塔 最優方案 方案比選工具 基礎形式

中圖分類號：TU470 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（b）-0088-03

中國鐵塔股份有限公司于2014年成立之初，便將自己定位為“集約化、規模化、專業化、高效化”運營的國際一流的通信基礎設施綜合服務商。在這種建設方針的指導下，鐵塔公司統一制定了《通信鐵塔標準圖集》，并演變到現在的《通信鐵塔標準圖集V1.3》和《美化塔標準圖集V1.1》，對鐵塔塔身的主要設計技術經濟指標做了標準化與統一[1]。2015年底，鐵塔公司開始推行模塊化價格，為加強建設成本管控，為實現投資效益最大化，集團公司提出了“新建站造價綜合差異率”（∑新建站實際造價/∑新建站標準建造成本）。設計是控制“實際造價”之源，在這種背景下，迫切需要設計人員做到精細化設計及尋求最優造價方案。

1 方案比選工具編制思路

為了便于設計人員對通信鐵塔基礎的不同方案進行設計、比選，減少人為錯誤，提高工作效率，本工具簡化并優化了設計基本參數的輸入，集成了地勘報告及基礎設計初始輸入信息。根據常用的三種塔型（單管塔、三管塔、角鋼塔）以及每種塔型常用的三種基礎形式進行編制，每種塔型編制一個計算表。根據程序自動計算得到三種基礎形式的混凝土方量及塔基造價，并結合站點實際施工環境選擇合適的基礎形式，見圖1。

1.1 單管塔

單管塔常用的基礎形式有單樁基礎、獨立基礎和四樁承臺基礎。單樁基礎以樁頂位移和抗傾覆控制；獨立基礎以地基承載力和偏心驗算為主；四樁承臺以基樁承載力及樁身強度控制。

（1）單樁基礎。

參照《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008）附錄C[2]及《鋼結構單管通信塔技術規程》（CECS 236-2008）[3]編制。影響單管塔單樁基礎樁頂位移的主要因素包括：樁的截面剛度、樁頂的約束形式、樁側地基土水平抗力系數的比例系數m值、樁長[4]。當樁體性質為剛性樁，即樁的入土深度h≤2.5/α時（α為樁的水平變形系數），需要根據《鋼結構單管通信塔技術規程》的6.2.2條進行抗傾覆驗算。程序在具體計算時，如表1，點擊“1.適用性檢驗”判斷提供的“樁長上限（m）”對應的位移是否在“控制位移”內，如果在，則點擊“2.計算樁長”；否則需要調大樁長或樁徑。如需計算剛性樁的截面最大彎矩，則需要點擊“單變量求解”。計算樁長時，先通過本工具確定最小樁長，再用Excel-VBA編制的程序從最小樁長向上以0.5m為步長自動迭代計算，直到所取樁長對應的位移小于“控制位移”。

（2）獨立基礎。

單向偏心驗算，根據《高聳結構設計規范》（GB50135-2006）[5]7.2.3應在最不利工況下按1/4脫開面積控制；雙向偏心驗算，根據《高聳結構設計規范》7.2.3計算。程序計算前，先填相關參數，點擊“DJ自動計算”通過Excel-VBA編制的程序自動迭代計算，直接求得滿足條件的尺寸，以使該尺寸對應的混凝土方量最小。

（3）四樁承臺基礎。

先根據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008）中式5.1.1-2計算偏心荷載下的基樁所受的下壓力和上拔力。然后按下述步驟自動計算合適的樁長：

①計算第一層土的基樁抗拔承載力特征值。

②將第一層土的基樁抗拔承載力特征值與塔體產生的上拔力做對比，如小于鐵塔拔力，則繼續將第二層土的數據代入計算。

③計算第一層土和第二層土的基樁抗拔承載力特征值之和。

④將第一二層土的基樁抗拔承載力特征值之和與上拔力做對比，如小于上拔力，則繼續將第三層土的數據代入計算，以此類推，直到計算到第N層土時，前幾層的基樁抗拔承載力特征值之和≥上拔力時，則設置本層土的計算厚度為x。

⑤計算x等于多少時，參與計算的各層土基樁抗拔承載力特征值之和≥上拔力，從而求得塔體產生的上拔力控制下的樁長。

⑥同理，計算塔體產生的下壓力控制下的樁長。

⑦建議樁長取上拔力和下壓力控制下的樁長較大值。建議樁長以0.5m為步長取整（例：計算樁長11.1m，建議樁長為11.5m；計算樁長11.8m，建議樁長為12m）。

1.2 三管塔

三管塔常用的基礎形式有機械灌注基礎、人工挖孔樁基礎和大開挖基礎。機械灌注樁基礎和人工挖孔樁基礎以基樁承載力及樁身強度控制；大開挖基礎以地基承載力和偏心驗算為主。

機械灌注基礎和人工挖孔樁基礎的計算原理同單管塔四樁承臺基礎中的基樁計算；大開挖基礎的計算原理同單管塔獨立基礎。

1.3 角鋼塔

角鋼塔常用的基礎形式有機械灌注基礎、人工挖孔樁基礎和獨立基礎。機械灌注樁和人工挖孔樁基礎以基樁承載力及樁身強度控制；獨立基礎以地基承載力和基礎抗拔驗算為主。

機械灌注基礎和人工挖孔樁基礎的計算原理同單管塔四樁承臺基礎中的基樁計算。獨立基礎根據《移動通信工程鋼塔桅結構設計規范》（YD/T5131-2005）[6]7.4.3編制，采用土重法計算基礎的抗拔穩定。

程序計算前，先填寫表2中相關參數，各參數的意義見圖2，然后點擊“DJ自動計算”通過Excel-VBA編制的程序自動迭代計算，直接求得滿足條件的尺寸，以使該尺寸對應的混凝土方量最小。

2 結語

本工具緊扣相關設計規范，利用VB語言在Excel中的運用，對于不同基礎形式的計算，只需一次輸入計算參數；一鍵生成最優基礎尺寸，提供計算書；及時呈現最優造價及相應的基礎形式，從而減少了人為出錯的概率，方便快捷。方案比選工具依托Excel-VBA宏命令進行編制，使用時須啟用宏，而“宏”容易感染病毒，需要通過更安全的計算機語言編制。另外，后期考慮將表格形式設計成圖形窗口，從而更集成、更方便輸入操作。現階段提供的計算書比較簡單，僅有結論，只能滿足階段性的工作需求，計算書將考慮增加詳細的計算公式及規范條文出處。

參考文獻

[1] Q/ZIT 1023-2016，通信鐵塔標準圖集V1.3[S].

[2] JGJ 94-2008，建筑樁基技術規范[S].

[3] CECS 236-2008，鋼結構單管通信塔技術規程[S].

[4] 呂建春，史存炎.鋼結構單管通信塔單樁基礎的設計分析[J].工程建設與設計，2014（10）：71-73.

[5] GB50135-2006，高聳結構設計規范[S].

[6] YD/T5131-2005，移動通信工程鋼塔桅結構設計規范[S].