5G 塔桅再利用的创新改造方案研究

祁小钰

中国铁塔股份有限公司江苏省分公司

0 引言

随着我国经济的飞速发展，现代化网络信息技术也取得了很大的进展，社会已逐步进入5G 时代。仅2019 年一年苏州市5G 基站建设总量就高达6000 座，2020 年全年规划完成1.5万座5G 基站建设，超过中西部部分省份全省建设总量。

5G 网络业务多样性对网络的灵活部署提出了更高的需求。5G 天线需支持大规模MIMO（massive MIMO），当下户外宏站天线通常采用64T/64R，并与RF 模块集成在一起，即有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU），具有体积小、重量大、宽度大的特点，但是难以与2G/3G/4G 系统天线合路。中兴、华为、爱立信等主流厂家提供5G 设备AAU 与传统的4G设备的性能参数对比见表1。

表1 主流厂家5G 设备AAU 与4G 设备参数对比表

现网铁塔挂载能力如表2 所示，在密集城区、市区等5G热点场景中，景观塔、楼面塔是目前主要的应用类型，但其挂载能力相对薄弱。据测算，这些塔型的承载能力在经过优化设计后仍然不能满足5G 的要求，存在着巨大的共享压力，如果新建铁塔，将面临投资高、选址难等一系列问题。

表2 现网铁塔整体挂载能力

铁塔站点的状况为“同一物理站址、多张网络共存”，天面塔桅资源极度匮乏。通过对苏州铁塔现网情况调查，5G大规模建设前，具有空余抱杆可直接利旧的站点只占全部站点的12%。大约88%的站点如想预留5G 资源，则需要对现有资源合路或新建塔桅等方式来实现。

以上5G 的特点以及铁塔的现状对铁塔带来比较大的挑战，因此5G 必须突破传统建网方式，充分挖掘存量站址潜力。迫切需要结合5G 技术的发展状况和当前的基站设备形态，对5G 网络塔桅整合改造流程和主要场景改造方案进行梳理和制定，结合现场特点，创新铁塔改造方案，以有效降低建设投资和解决具体站点的协调、建设困难。

1 铁塔改造原则、流程和改造方案

1.1 改造原则

首先是利用现有的天面资源，然后是增加抱杆或支臂，如果两者都不能满足，可以协调运营商合路天线或者新建塔桅。

天面增加抱杆或支臂时，要考虑到各个系统的天馈垂直和水平隔离度，并按厂家的最新要求，计算结果如表3 所示。

表3 天线隔离度

1.2 改造流程

1.2.1 地面塔

地面塔的改造设计流程如下：

（1）核实天面信息

针对运营商本次新增5G 天线的数量、尺寸、重量、挂高等信息进行收集。

（2）塔桅现场勘察

踏勘塔桅现场，勘察确认天面挂载情况，排查现场存在的隐患问题。若有，则需优先处理相关隐患问题。

（3）抱杆直接利旧

针对无隐患或已解决隐患的塔桅，如果有空余抱杆，则可直接利旧空余抱杆挂载新增5G 天线（原塔桅挂载微波天线或面积大于0.65m2 的天线除外）。

（4）塔身新增抱杆

对于无隐患或已处理隐患的塔桅，若塔桅上已没有多余的抱杆，则需要按照原有图纸对塔桅进行建模计算，并分析安装5 G 天线设备前后的受力，计算出其安全度是否满足要求。计算安全度的最新指标主要包含计算风振系数采用的阻尼比值、单管塔的水平位移限值、天线及平台折减系数等，其中单管塔的阻尼比可取为0.01，格构式塔架例如三管塔、角钢塔等的阻尼比可取为0.02，原规范中格构式塔架的阻尼比取0.01，格构式塔架阻尼比的修改可减小风荷载计算值；单管塔水平位移限值由原先规范中的1/40修改为1/33，对插装塔而言，在较低的应力条件下，塔身的位移可以适当放松，但不得低于1/30；天线及平台折减系数取值如表4 所示。

图1 铁塔改造流程图

表4 天线及平台折减系数

（5）原塔桅加固改造

对经核算仍不能满足要求的塔桅，可以对原有的塔桅进行加固（需考虑加固改造成本），以达到新增5G 设备的挂载要求，常用的加固方案如下：①将平台拆除，用天线支架直接固定于塔身替代。②将塔身的标识以及其他遮挡物拆除，同时在塔上安装天线支架。③增加原有塔桅刚性支撑，同时在塔上安装天线支架。④增加原有塔桅拉线，同时在塔上安装天线支架。

（6）天线合路

对于核算后，无法满足挂载需求的塔桅，可将原有多套天线替换为一套多端口天线，空余出的抱杆安装5G 天线。

（7）另址新建

对于核算后，无法满足挂载需求的塔桅，且无法进行天线合路等情况，则需在站址附近选址新建。

1.2.2 楼面站

楼面塔的改造流程和地面塔类似，但其挂载能力要比地面塔低得多，如果塔身没有多余的抱杆，并且无法通过合路方式将现有天线资源合并，楼面塔结构的加固方法就会与地面塔不同，具体的区别如下：

（1）楼面拉线塔

新增或更换原有拉线；部分存量拉线塔，在塔身达到设计要求，但拉线或锚固点存在松动等安全风险时，应先对拉线进行更换，其次增加天线支架；在经过安全评估后，如果塔身、拉线等条件均不能达到设计要求，首先需通过增加一层拉线的方式来对塔身进行加固，其次再增加天线支架。

（2）自立式或附墙抱杆

针对无法直接增加5G 天线设备的情况，可采用就近新建自立式抱杆或附墙抱杆方式增加5G 天线设备。

（3）新建楼顶美化方柱外罩

由于5G 有源天线单元尺寸较宽，新建楼顶美化方柱外罩尺寸不低于0.9x0.9m，罩体具有通风散热能力。

1.3 改造方案

（1）铁塔增加支臂或平台

依据安全评估结果，选择在原塔结构上新增支臂或平台。

（2）支架式抱杆铁塔类

可采取增加支臂长度方式保障天线的隔离度，将一层3根抱杆改造为6 根抱杆，保障施工安装安全和方便。

（3）拆除平台更换为支架

由于一般塔桅平台的直径在2.5m 以上，护栏高度在1.1m以上，天线与平台相比，其挡风面积及体形系数都较小，所以应将平台拆除并更换为天线支架，降低铁塔的荷载，为新增天线创造条件。

（4）角钢塔、钢管塔截面增强

将型钢、钢板等连接在原构件上，以达到改善原构件承载力的目的，这种连接不需拆除原有构件，而直接增加构件的承载力。如图2 所示。

图2 增加截面示意

（5）降低平台高度

由于铁塔结构为悬臂式结构，可以通过降低整体高度或降低平台的固定位置可以有效地减轻其负载。

（6）景观类铁塔，拆除部分造型负荷

美化单管塔装有装饰轮、装饰圈、灯盘、外罩等造型负荷，故截面尺寸较大。由于截面尺寸越大，其承受的风荷载也会越大，所以应当拆除美化外罩，从而减小风荷载，提高共享能力。

（7）拉线塔更换或增加拉线

若原拉线塔塔体在新增加天线后塔身满足要求但拉线无法满足要求时，可以用大直径的拉线代替原有的拉线。如果更换大直径拉线仍然无法满足要求，则可以通过增加拉线的方式，减小拉线塔身的长细比，从而提高其承载力。这种方法对地面或楼面的拉点施工要求较高，如果原有拉点承载力不够，就需要在新的位置重新布置新增拉线的拉点。

（8）增加地面配重

若要提高基础抗拔和抗倾覆的能力，可以采用增加配重的方式实现。在土质条件较好的区域，角钢塔、三管塔和单管塔基础通常为独立基础。其中抗拔能力是角钢塔与三管塔设计的主要控制因素，抗倾覆能力是单管塔设计的主要控制因素。因此在土质条件较好区域对独立基础的铁塔可以采用砌筑的毛石或钢筋混凝土等来增加配重，以对铁塔进行加固。

（9）增大基础底板

增大基础底板，能够快速提高基础的抗拔能力，降低基础对地基的压力。这种加固方式对独立基础的角钢塔、单管塔以及采用筏板基础的三管塔较为有效。基础底板增大后，基础悬臂段长度与厚度比不宜超过2.5。在施工时需注意的是仅在需要增大基础底板的位置开挖，以确保塔身的承载力依然保持较高的水平。此外为了确保钢筋连接的强度，应在基础底板的顶部和底部植筋，基础钢筋宜采用化学植筋。

2 创新铁塔改造方案

紧扣5G 建设的特点和苏州建设实际情况，以常规的铁塔改造方案为基础，本论文提出了创新的铁塔改造方案。

2.1 改造现有6 米配重抱杆挂载两副5G 天线

现阶段楼面站新建天线抱杆均采用“一天线一抱杆”的形式，占地面积大，二次建设需求重复时，存在进场协调难，施工费用高的情况。

针对已有配重抱杆的基站，将结合现有配重抱杆结构原理、综合考虑，利用彼此的结构特点，通过将配重抱杆进行扩建改造，达到每座抱杆可挂载两副5G 天线的效果，可以减少建设时间，提升效率，减少协调难度。

采用槽钢对已建好原有6 米配重抱杆底座混凝土配重块进行连接加固，从而增加原有配重抱杆的配重能力。达到每座6 米抱杆能够安装挂载两副5G 天线的功能。具体的工艺做法见图3 所示，本方案与新增抱杆方案的经济效益对比如表5所示。

表5 本方案与新增抱杆方案的经济效益对比表

图3 改造现有6 米配重抱杆挂载两幅5G 天线方案

图4 上下加固现有3 米抱杆端部挂载两幅5G 天线方案

2.2 加固现有3 米抱杆新增抱杆挂载两副5G 天线

现阶段铁塔上抱杆均采用“一天线一抱杆”的形式。根据5G 天线的特点，天线高度在0.9 米以内，天线垂直隔离度至少为1 米，而塔身抱杆长度原设计一般均为3 米，对原有改造方案进行创新改造，上下两层均靠抱杆端部固定，则可保证在一根抱杆上，可挂设两副5G 天线设备。因此在有一家5G 需求进行铁塔改造的时候，保证新增抱杆预留空间给另外一家5G 天线安装使用，并保证抱杆荷载可以满足2副5G 天线安装，此方案可节省一半的铁塔改造投资。

此创新方案应用范围广泛，目前一个铁塔两家运营商增加5G 的比例统计已超过70%，对于现有铁塔需要增加抱杆的站点，同步预留另外一家新增5G 天线安装空间，能有效提高天面资源的利用率，降低投资成本。

2.3 杆塔上新增设备支座平台安装5G 配套一体化机柜

一般传统的做法是在杆塔附近地面新增水泥基础，然后安装5G 配套一体化机柜。该做法需占用土地资源，当现场的土地资源不足，没有足够的空间或现场周边场景无法协调满足机柜落地安装时，将影响方案的进行。水泥基础需一定的养护期，对建设工期要求高的站点影响较大。针对以上机柜安装的痛点及难点，研发了一种“杆塔设备支座平台”技术方案。该方案采用在通信杆塔上新增机柜钢结构基础，将机柜安装于杆塔上，实现不占用任何土地资源，帮助5G 大批量部署。其结构上与轻钢结构的牛腿力学性能相近，并保证最低通过高度满足建筑设计规范上的最低通过高度（2m）。为满足维护人员随时上平台进行维护，新增了钢爬梯等附属设施与平台相连。本创新方案不占用土地资源，同时因采用钢结构可实现短时间6 小时内完成基础及机柜安装的目标，极大地缩短了建设工期。

杆塔上新增设备支座平台技术的开发，大大减少了通信5G 建设的协调问题，另外因为不需要浇筑机柜基础，缩短了工程建设周期，加快了工程建设交付。本项创新技术已落实到常规工程建设实施中去，并在工程建设以及维护中充分展现了它的优势所在，更快、更好、更高质量地协助特殊场景下的5G 基站建设顺利完成。需要特别关注：由于机柜及钢结构基础重量较大，因此底部钢管较为粗壮的大单管塔或市政广告牌站点可采用此创新方案，景观型及路灯杆型塔体较细、承载能力较弱不适宜此创新方案。如图5 所示。

图5 杆塔新增设备支座平台安装一体化机柜示意图

3 结束语

通过应用本论文提出的研究成果，5G 建设中采用合理的铁塔改造流程和改造方案，减少了5G 建设的协调问题，缩短了工程建设周期，加快了工程建设交付，保障了5G 建设工作的顺利开展。苏州铁塔已完成超过15000 个5G 存量站点的建设，圆满地完成了苏州5G 实验网、商用网的阶段建设任务，苏州的5G 建设无论是数量、质量和速度都走在了全国的前列。

在铁塔改造中通过采用创新方案获也获得了良好的经济收益。其中采取一根抱杆安装2 付5G 天线方案的站点达到了982 个，预计可节省投资378 万元。