5G 低成本塔桅建設方案優化

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設施共建共享水平，緩解基站選址難、共享難的問題，提升行業投資效率，鐵塔建設一般需綜合考慮多家運營商不同網絡制式需求和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 網絡的普及，5G 在組網模式、產品形態、性能參數方面均較以前有明顯不同，基站建設開始逐步實現由最初的大塔桅、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變，若仍套用原標準化鐵塔圖集中傳統高塔、平臺式塔型、全面美化的景觀塔來進行基站建設，勢必會導致選址建設困難、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 基礎設施建設速度的同時做好成本管控，是擺在鐵塔公司面前的當務之急，這就需要我們拓展思路、優化設計，結合當前環境來滿足移動通信基站新的建設需求。

1 傳統塔型使用現狀和存在問題

隨著移動通信技術的不斷發展，目前迎來了5G 網絡大規模建設，5G建設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塔型，而在實踐中，早期塔圖已不適用于5G 快速、經濟、高效部署的需求。為探明早期塔圖存在問題的根本原因，并為后續塔桅優化提供改進思路，現就目前存在的問題進行簡要剖析。

（1）位移控制標準較高。傳統標準圖集中單管塔塔身位移控制標準較高，依據《移動通信工程鋼塔桅結構設計規范》（YDT 5131-2005）及《通信鐵塔技術要求 V1.1》（Q/ZTT 1001—2015）中相關說明規定：“單管塔在以風荷載為主的荷載標準組合下，塔頂的水平位移不應大于塔高的1/40。”現行《移動通信工程鋼塔桅結構設計規范》（YDT 5131-2019）中已放松調整至不大于塔高的1/33。現行規范和標準對單管塔塔身位移控制標準見表1。

表1 現行規范和標準對塔身位移控制標準

（2）掛載天線數量較多。由于鐵塔公司需統籌三家運營商需求合并建塔，且運營商天線制式各異，因而建設的塔掛載天線數量要多于原運營商塔，從而導致擋風面積增大，繼而導致內力增大，塔身直徑及壁厚相應增大。

（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 設計考慮。通過研究分析主流廠商的天線設備參數，對比4G 產品可知，5G 天線設備迎風面比4G 天線小、但重量更大，5G 單付天線面積約0.5㎡、重量約50kg。

（4）無線網絡傳輸和覆蓋距離較遠。運營商2G～4G 網絡以廣覆蓋為主，以一般市區、縣城、鄉鎮、農村場景居多，需要配合高塔才能實現遠距離廣覆蓋。

2 5G 低成本塔桅方案優化設計

為更好地滿足5G 低成本、高效率建設需求，支撐公司深化市場化變革，江蘇鐵塔積極支撐總部研發推出綠色低碳塔等創新產品，通過需求精細化、設計簡約化、設計參數精細化等手段，調整優化鋼材原材料規格及選型、充分挖掘了鋼材的材料性能、考慮天線面積折減系數、分場景提供不同高度塔型等，相繼形成了企業技術標準《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，為行業降本增效。

2.1 需求精細化

（1）降低塔高。根據2019 ～2020 年4G/5G 新建塔場景、塔型、掛高的分析，結合4G/5G 技術演進及運營商建網趨勢預測，分場景精準匹配客戶掛載需求，避免過度預留。未來一段時期新建站址主要集中于已建成區域補點（市區縣城/鄉鎮農村），塔高以25 米、30 米為主；普遍服務，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，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用較少。基于以上的分析和預測對各場景需求進行精細化配置。

（2）優化天線數量和面積。考慮電聯競合、移動天面整合后塔類平臺數需求下降的情況，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 設計簡約化

在保證結構安全的前提下通過優化塔身結構、優化材料選用、附屬設施優化等舉措實現塔身輕量化設計。

2.2.1 單管塔

（1）在滿足相關標準的前提下合理選擇桿塔管徑：當應力比起控制作用時，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，應選擇大管徑薄壁厚主材，反之應適當減小管徑增加壁厚以實現綜合造價最優。

（2）充分考慮構件市場常規流通長度并結合運輸條件合理進行塔體分段設計。

（3）優先選用4mm、5mm 和6mm 厚鋼板，鋼管徑厚比應滿足《高聳結構設計標準》（GB 50135-2019）的相關規定，考慮加工運輸等因素采用4mm 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置。

（2）平臺宜采用簡易內平臺。

（3）主材為鋼管時優先選用4mm 和5mm 厚鋼管，當構件不能滿足需求時，優先選擇更大管徑（壁厚不變），次選增加壁厚。

2.2.3 附屬設施

單管塔取消大平臺，簡化為天線支架結構做法，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，塔身雙斜撐變為單斜撐支撐；爬梯形式由外爬釘優化為外爬魚刺梯，減少鋼管的焊接變形。變安裝平臺為腳踏板等。通過一系列附屬結構簡化，可降低塔身風荷載、減小塔重。

2.3 設計參數精細化

本文依據新行標《移動通信工程鋼塔桅結構設計規范》（YD/T 5131-2019），在塔身設計時合理確定相關設計參數，要點如下：

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

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量乘以天線正面面積，并乘以表2 中對應的折減系數K1。

表2 折減系數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量乘以天線正面面積，并乘以表3 中對應的折減系數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K2

（2）阻尼比：格構式塔（三管塔、角鋼塔等）設計時阻尼比應取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，插接式塔在應力水平普遍不高于0.8 時，可采用1/30。

（4）其他參數：設計風壓、地面粗糙度等參數應據實取值。

常見幾種同類型低成本塔與傳統塔型相關參數對比如圖2至圖4、表4 至表6 所示。

圖2 傳統塔與低成本塔結構簡圖對比（單管塔）

圖3 傳統塔與低成本塔結構簡圖對比（三管塔）

圖4 傳統塔與低成本塔結構簡圖對比（燈桿景觀塔）

表4 傳統塔與低成本塔關鍵技術參數對比表（單管塔）

表5 傳統塔與低成本塔關鍵技術參數對比表（三管塔）

表6 傳統塔與低成本塔關鍵技術參數對比表（燈桿景觀塔）

2.4 應用情況及效益

本套低成本鐵塔創新技術方案，通過對前期傳統通信鐵塔類相關標準圖集使用現狀和目前存在問題進行剖析，提出了本次低成本鐵塔優化改進思路，并相繼形成了企業技術標準《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，低碳塔使用數量約占近三年使用落地塔比例的44%。相比同類型傳統塔型，低碳塔每座可節約0.5～1.5 噸鋼材，據測算，節約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測算，江蘇目前大約已節約鋼材2415 噸、降碳4420 噸。低碳塔技術方案的推出及規模化應用，在滿足客戶需求、實現降本增效的同時，亦能夠減少能源消耗和污染物排放，助力實現碳達峰碳中和目標，可有序推動新型信息基礎設施綠色高質量發展。

3 后續主要研究方向

通信基站選址與鐵塔設計是通信基站工程建設質量的重要保證。鐵塔設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、環保和美觀等需求發展，通信鐵塔類型越來越多，塔桅選型應根據塔型特點、建站需求、現場條件等因素，依據“安全、適用、經濟、美觀”的原則，在能夠確保目標區覆蓋的情況下，應選擇投資最節約、建設周期最短的塔桅類型。在對塔桅優化設計過程中，需要對桿塔進行技術升級，將塔桅的負荷降低，使其設計符合要求，目前5G 塔桅結構優化還存在不足，后續可在以下幾點展開進一步研究。

（1）對桿塔進行技術升級

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控等各種載體充分利用起來，將各種資源整合設置桿塔，實現多種桿件共建共享集約化建設，發揮塔桿的集聚效益，提高基礎設施的建設水平和社會經濟價值。

（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。一方面可優化塔形，如在考慮滿足鐵塔生產廠家加工工藝的前提下，對塔身增加折邊數量等，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地點，目前通信鐵塔標準圖集均按B類場景設計，對于在城市核心區建設的站點，可根據實際的場地地面粗糙度按A 類場地進行計算設計，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新應用，如高強度鋼材、復合材料等。高強度鋼材，基于市場供應、采購等考慮推薦優先采用Q420B，針對由主材應力控制的塔型（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。復合材料桿塔輕質高強，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。現階段復合材料桿塔在通信行業的應用尚屬于起步階段，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中規模應用，且復合材料單管塔目前主要應用于低風壓地區且高度控制在30米以下，待技術驗證成熟后可探索應用于更高塔型。

4 結束語

為落實國家5G 新基建戰略，更好地滿足5G 低成本、高效率建設需求，本文首先通過對以往標準鐵塔圖集中傳統塔型使用現狀和存在的弊端進行剖析，結合當前運營商5G 網絡部署特點，提出了低成本鐵塔優化改進方向，通過需求精細化、設計簡約化、設計參數精細化等方法對現有傳統塔型進行創新優化，充分挖掘了鋼材的材料性能，研發出適應不同場景、不同高度、不同掛載能力的低碳塔型，并相繼形成企業標準，在滿足客戶需求的同時，為行業降本增效。此外，在對現有塔桅結構研究基礎上，還指明了后續可在“多桿合一”桿塔模式、塔形優化和細化建設場景以及探索耐候鋼作為塔身新材料等方面展開研究，在技術升級的同時促進了經濟增長，可有序推動新型信息基礎設施綠色高質量發展。