新建通信铁塔最优设计造价的快速分析工具

吕建春 朱松林

摘 要：新建通信铁塔在进行地基基础设计时，常用的各种设计软件有Morgain、世纪旗云、理正结构工具箱等，其各计算模块之间相互独立，不利于快速判定最优方案。本文中的“方案比选工具”针对常用的三种塔型（单管塔、三管塔、角钢塔）编制快速计算软件，利用VB语言在Excel中的运用，只需一次输入计算参数，可一键生成最优基础尺寸，及时呈现最优造价及相应的基础形式。

关键词：新建通信铁塔 最优方案 方案比选工具 基础形式

中图分类号：TU470 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（b）-0088-03

中国铁塔股份有限公司于2014年成立之初，便将自己定位为“集约化、规模化、专业化、高效化”运营的国际一流的通信基础设施综合服务商。在这种建设方针的指导下，鐵塔公司统一制定了《通信铁塔标准图集》，并演变到现在的《通信铁塔标准图集V1.3》和《美化塔标准图集V1.1》，对铁塔塔身的主要设计技术经济指标做了标准化与统一[1]。2015年底，铁塔公司开始推行模块化价格，为加强建设成本管控，为实现投资效益最大化，集团公司提出了“新建站造价综合差异率”（∑新建站实际造价/∑新建站标准建造成本）。设计是控制“实际造价”之源，在这种背景下，迫切需要设计人员做到精细化设计及寻求最优造价方案。

1 方案比选工具编制思路

为了便于设计人员对通信铁塔基础的不同方案进行设计、比选，减少人为错误，提高工作效率，本工具简化并优化了设计基本参数的输入，集成了地勘报告及基础设计初始输入信息。根据常用的三种塔型（单管塔、三管塔、角钢塔）以及每种塔型常用的三种基础形式进行编制，每种塔型编制一个计算表。根据程序自动计算得到三种基础形式的混凝土方量及塔基造价，并结合站点实际施工环境选择合适的基础形式，见图1。

1.1 单管塔

单管塔常用的基础形式有单桩基础、独立基础和四桩承台基础。单桩基础以桩顶位移和抗倾覆控制；独立基础以地基承载力和偏心验算为主；四桩承台以基桩承载力及桩身强度控制。

（1）单桩基础。

参照《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）附录C[2]及《钢结构单管通信塔技术规程》（CECS 236-2008）[3]编制。影响单管塔单桩基础桩顶位移的主要因素包括：桩的截面刚度、桩顶的约束形式、桩侧地基土水平抗力系数的比例系数m值、桩长[4]。当桩体性质为刚性桩，即桩的入土深度h≤2.5/α时（α为桩的水平变形系数），需要根据《钢结构单管通信塔技术规程》的6.2.2条进行抗倾覆验算。程序在具体计算时，如表1，点击“1.适用性检验”判断提供的“桩长上限（m）”对应的位移是否在“控制位移”内，如果在，则点击“2.计算桩长”；否则需要调大桩长或桩径。如需计算刚性桩的截面最大弯矩，则需要点击“单变量求解”。计算桩长时，先通过本工具确定最小桩长，再用Excel-VBA编制的程序从最小桩长向上以0.5m为步长自动迭代计算，直到所取桩长对应的位移小于“控制位移”。

（2）独立基础。

单向偏心验算，根据《高耸结构设计规范》（GB50135-2006）[5]7.2.3应在最不利工况下按1/4脱开面积控制；双向偏心验算，根据《高耸结构设计规范》7.2.3计算。程序计算前，先填相关参数，点击“DJ自动计算”通过Excel-VBA编制的程序自动迭代计算，直接求得满足条件的尺寸，以使该尺寸对应的混凝土方量最小。

（3）四桩承台基础。

先根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）中式5.1.1-2计算偏心荷载下的基桩所受的下压力和上拔力。然后按下述步骤自动计算合适的桩长：

①计算第一层土的基桩抗拔承载力特征值。

②将第一层土的基桩抗拔承载力特征值与塔体产生的上拔力做对比，如小于铁塔拔力，则继续将第二层土的数据代入计算。

③计算第一层土和第二层土的基桩抗拔承载力特征值之和。

④将第一二层土的基桩抗拔承载力特征值之和与上拔力做对比，如小于上拔力，则继续将第三层土的数据代入计算，以此类推，直到计算到第N层土时，前几层的基桩抗拔承载力特征值之和≥上拔力时，则设置本层土的计算厚度为x。

⑤计算x等于多少时，参与计算的各层土基桩抗拔承载力特征值之和≥上拔力，从而求得塔体产生的上拔力控制下的桩长。

⑥同理，计算塔体产生的下压力控制下的桩长。

⑦建议桩长取上拔力和下压力控制下的桩长较大值。建议桩长以0.5m为步长取整（例：计算桩长11.1m，建议桩长为11.5m；计算桩长11.8m，建议桩长为12m）。

1.2 三管塔

三管塔常用的基础形式有机械灌注基础、人工挖孔桩基础和大开挖基础。机械灌注桩基础和人工挖孔桩基础以基桩承载力及桩身强度控制；大开挖基础以地基承载力和偏心验算为主。

机械灌注基础和人工挖孔桩基础的计算原理同单管塔四桩承台基础中的基桩计算；大开挖基础的计算原理同单管塔独立基础。

1.3 角钢塔

角钢塔常用的基础形式有机械灌注基础、人工挖孔桩基础和独立基础。机械灌注桩和人工挖孔桩基础以基桩承载力及桩身强度控制；独立基础以地基承载力和基础抗拔验算为主。

机械灌注基础和人工挖孔桩基础的计算原理同单管塔四桩承台基础中的基桩计算。独立基础根据《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》（YD/T5131-2005）[6]7.4.3编制，采用土重法计算基础的抗拔稳定。

程序计算前，先填写表2中相关参数，各参数的意义见图2，然后点击“DJ自动计算”通过Excel-VBA编制的程序自动迭代计算，直接求得满足条件的尺寸，以使该尺寸对应的混凝土方量最小。

2 结语

本工具紧扣相关设计规范，利用VB语言在Excel中的运用，对于不同基础形式的计算，只需一次输入计算参数；一键生成最优基础尺寸，提供计算书；及时呈现最优造价及相应的基础形式，从而减少了人为出错的概率，方便快捷。方案比选工具依托Excel-VBA宏命令进行编制，使用时须启用宏，而“宏”容易感染病毒，需要通过更安全的计算机语言编制。另外，后期考虑将表格形式设计成图形窗口，从而更集成、更方便输入操作。现阶段提供的计算书比较简单，仅有结论，只能满足阶段性的工作需求，计算书将考虑增加详细的计算公式及规范条文出处。

参考文献

[1] Q/ZIT 1023-2016，通信铁塔标准图集V1.3[S].

[2] JGJ 94-2008，建筑桩基技术规范[S].

[3] CECS 236-2008，钢结构单管通信塔技术规程[S].

[4] 吕建春，史存炎.钢结构单管通信塔单桩基础的设计分析[J].工程建设与设计，2014（10）：71-73.

[5] GB50135-2006，高耸结构设计规范[S].

[6] YD/T5131-2005，移动通信工程钢塔桅结构设计规范[S].