5G 低成本塔桅建设方案优化

陈东伟 刘言彬 徐灵琦 张 帆

1.中国铁塔股份有限公司江苏省分公司；2.华信咨询设计研究院有限公司

0 引言

在4G 时代，为进一步提高电信基础设施共建共享水平，缓解基站选址难、共享难的问题，提升行业投资效率，铁塔建设一般需综合考虑多家运营商不同网络制式需求和4G 远距离广覆盖等特点，基站塔型主要选用平台式三管塔、角钢塔、单管塔及景观塔等传统塔型，塔型具体占地面积大、高塔、过度美观、塔身承载冗余过大、造价较高等特点。随着5G 网络的普及，5G 在组网模式、产品形态、性能参数方面均较以前有明显不同，基站建设开始逐步实现由最初的大塔桅、超高天线柱及远距离覆盖，向小塔桅、高密度、近距离覆盖的有效转变，若仍套用原标准化铁塔图集中传统高塔、平台式塔型、全面美化的景观塔来进行基站建设，势必会导致选址建设困难、建站成本较高和土地资源浪费，也不利于三家运营商和铁塔公司降本增效需求。面对通信环境多种多样，5G 基站对塔桅有了更高的要求，如何在加快5G 基础设施建设速度的同时做好成本管控，是摆在铁塔公司面前的当务之急，这就需要我们拓展思路、优化设计，结合当前环境来满足移动通信基站新的建设需求。

1 传统塔型使用现状和存在问题

随着移动通信技术的不断发展，目前迎来了5G 网络大规模建设，5G建设初期针对必须采取新建塔桅方式建站的场景，主要还是套用原标准铁塔图集中带平台式单管塔、三管塔、整体美化的景观塔等塔身承载冗余较大的传统塔型，而在实践中，早期塔图已不适用于5G 快速、经济、高效部署的需求。为探明早期塔图存在问题的根本原因，并为后续塔桅优化提供改进思路，现就目前存在的问题进行简要剖析。

（1）位移控制标准较高。传统标准图集中单管塔塔身位移控制标准较高，依据《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》（YDT 5131-2005）及《通信铁塔技术要求 V1.1》（Q/ZTT 1001—2015）中相关说明规定：“单管塔在以风荷载为主的荷载标准组合下，塔顶的水平位移不应大于塔高的1/40。”现行《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》（YDT 5131-2019）中已放松调整至不大于塔高的1/33。现行规范和标准对单管塔塔身位移控制标准见表1。

表1 现行规范和标准对塔身位移控制标准

（2）挂载天线数量较多。由于铁塔公司需统筹三家运营商需求合并建塔，且运营商天线制式各异，因而建设的塔挂载天线数量要多于原运营商塔，从而导致挡风面积增大，继而导致内力增大，塔身直径及壁厚相应增大。

（3）挂载天线面积较大。铁塔新建塔时需综合考虑三家运营商的天线尺寸，很难通过规划控制三家运营商在实际使用时的天线面积，因而目前推出的标准塔型挂载天线面积要比各运营商面积大，标准图集中每根抱杆挂载的4G 天线和RRU迎风面积之和均按0.8 ㎡、重量按33kg 设计考虑。通过研究分析主流厂商的天线设备参数，对比4G 产品可知，5G 天线设备迎风面比4G 天线小、但重量更大，5G 单付天线面积约0.5㎡、重量约50kg。

（4）无线网络传输和覆盖距离较远。运营商2G～4G 网络以广覆盖为主，以一般市区、县城、乡镇、农村场景居多，需要配合高塔才能实现远距离广覆盖。

2 5G 低成本塔桅方案优化设计

为更好地满足5G 低成本、高效率建设需求，支撑公司深化市场化变革，江苏铁塔积极支撑总部研发推出绿色低碳塔等创新产品，通过需求精细化、设计简约化、设计参数精细化等手段，调整优化钢材原材料规格及选型、充分挖掘了钢材的材料性能、考虑天线面积折减系数、分场景提供不同高度塔型等，相继形成了企业技术标准《低成本铁塔标准图集 V1.0》和《低成本铁塔标准图集 V2.0》，满足客户需求的同时，为行业降本增效。

2.1 需求精细化

（1）降低塔高。根据2019 ～2020 年4G/5G 新建塔场景、塔型、挂高的分析，结合4G/5G 技术演进及运营商建网趋势预测，分场景精准匹配客户挂载需求，避免过度预留。未来一段时期新建站址主要集中于已建成区域补点（市区县城/乡镇农村），塔高以25 米、30 米为主；普遍服务，以20 米以下落地拉线塔、支撑杆和增高架为主；高铁沿线覆盖，塔高以35 米、40 米为主；城市县城新区，塔高以30 米、35 米灯杆景观塔为主；塔高45 米及以上高塔场景应用较少。基于以上的分析和预测对各场景需求进行精细化配置。

（2）优化天线数量和面积。考虑电联竞合、移动天面整合后塔类平台数需求下降的情况，单管塔、三管塔考虑两层支架约6～9 根天线抱杆，景观塔考虑3～4 层支架约9～12 根天线抱杆并采取部分美化措施。每根抱杆限挂天线和RRU 迎风面积，由原先统一按最大面积0.8 ㎡改为按支架高度梯次递减至0.6～0.7 ㎡。

2.2 设计简约化

在保证结构安全的前提下通过优化塔身结构、优化材料选用、附属设施优化等举措实现塔身轻量化设计。

2.2.1 单管塔

（1）在满足相关标准的前提下合理选择杆塔管径：当应力比起控制作用时，主材可选用高强度钢材，同时适当减小管径，以减小塔身重量和塔基尺寸，从而降低综合造价；当水平位移起控制作用时，如采用大管径薄壁厚钢材对综合造价有利时，应选择大管径薄壁厚主材，反之应适当减小管径增加壁厚以实现综合造价最优。

（2）充分考虑构件市场常规流通长度并结合运输条件合理进行塔体分段设计。

（3）优先选用4mm、5mm 和6mm 厚钢板，钢管径厚比应满足《高耸结构设计标准》（GB 50135-2019）的相关规定，考虑加工运输等因素采用4mm 钢板制作的钢管径厚比建议不宜超过150。

2.2.2 三管塔

（1）首先考虑天线抱杆直接附着于塔柱，其次考虑精简天线抱杆与塔身的连接，天线支架尽量靠近塔柱设置。

（2）平台宜采用简易内平台。

（3）主材为钢管时优先选用4mm 和5mm 厚钢管，当构件不能满足需求时，优先选择更大管径（壁厚不变），次选增加壁厚。

2.2.3 附属设施

单管塔取消大平台，简化为天线支架结构做法，减少平台风荷载同时降低加工难度、提高加工效率、降低管塔变形。三管塔取消天线支架，变支架挂载为塔身挂载，塔身双斜撑变为单斜撑支撑；爬梯形式由外爬钉优化为外爬鱼刺梯，减少钢管的焊接变形。变安装平台为脚踏板等。通过一系列附属结构简化，可降低塔身风荷载、减小塔重。

2.3 设计参数精细化

本文依据新行标《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》（YD/T 5131-2019），在塔身设计时合理确定相关设计参数，要点如下：

（1）天线数量及面积：依据当前4G/5G 实际需求确定天线数量及挡风面积，支架或平台上安装的天线面积应据实进行折减。

1）3 副及以上天线均安装于钢塔桅的同一外挑平台时，天线总的挡风面积可按天线数量乘以天线正面面积，并乘以表2 中对应的折减系数K1。

表2 折减系数K1

2）3 副及以上天线均安装于同一高度的单管塔塔身且该处塔身直径与天线宽度的比值不小于1.1 时，天线总的挡风面积可按天线数量乘以天线正面面积，并乘以表3 中对应的折减系数K2，表3 中的外挑距离L 和天线宽度B 如图1 所示。

图1 单管塔塔身及天线示意图

表3 折减系数K2

（2）阻尼比：格构式塔（三管塔、角钢塔等）设计时阻尼比应取0.02。

（3）水平位移限值：单管塔水平位移限值，由原先风荷载标准组合下塔高的1/40 降低至1/33，插接式塔在应力水平普遍不高于0.8 时，可采用1/30。

（4）其他参数：设计风压、地面粗糙度等参数应据实取值。

常见几种同类型低成本塔与传统塔型相关参数对比如图2至图4、表4 至表6 所示。

图2 传统塔与低成本塔结构简图对比（单管塔）

图3 传统塔与低成本塔结构简图对比（三管塔）

图4 传统塔与低成本塔结构简图对比（灯杆景观塔）

表4 传统塔与低成本塔关键技术参数对比表（单管塔）

表5 传统塔与低成本塔关键技术参数对比表（三管塔）

表6 传统塔与低成本塔关键技术参数对比表（灯杆景观塔）

2.4 应用情况及效益

本套低成本铁塔创新技术方案，通过对前期传统通信铁塔类相关标准图集使用现状和目前存在问题进行剖析，提出了本次低成本铁塔优化改进思路，并相继形成了企业技术标准《低成本铁塔标准图集 V1.0》和《低成本铁塔标准图集V2.0》。截止目前，江苏已累计使用低碳塔2560 座，低碳塔使用数量约占近三年使用落地塔比例的44%。相比同类型传统塔型，低碳塔每座可节约0.5～1.5 吨钢材，据测算，节约1 吨钢材用量等同于减少1.83 吨二氧化碳排放，若以江苏目前低碳塔使用基数测算，江苏目前大约已节约钢材2415 吨、降碳4420 吨。低碳塔技术方案的推出及规模化应用，在满足客户需求、实现降本增效的同时，亦能够减少能源消耗和污染物排放，助力实现碳达峰碳中和目标，可有序推动新型信息基础设施绿色高质量发展。

3 后续主要研究方向

通信基站选址与铁塔设计是通信基站工程建设质量的重要保证。铁塔设计的主要目标是满足通信覆盖的要求，随着频段扩展、征地费用增加、环保和美观等需求发展，通信铁塔类型越来越多，塔桅选型应根据塔型特点、建站需求、现场条件等因素，依据“安全、适用、经济、美观”的原则，在能够确保目标区覆盖的情况下，应选择投资最节约、建设周期最短的塔桅类型。在对塔桅优化设计过程中，需要对杆塔进行技术升级，将塔桅的负荷降低，使其设计符合要求，目前5G 塔桅结构优化还存在不足，后续可在以下几点展开进一步研究。

（1）对杆塔进行技术升级

积极推进“多杆合一”杆塔模式，将通讯微基站、交通信号灯、各种路牌、公交站牌以及公安监控等各种载体充分利用起来，将各种资源整合设置杆塔，实现多种杆件共建共享集约化建设，发挥塔杆的集聚效益，提高基础设施的建设水平和社会经济价值。

（2）降低塔桅的负荷

为了降低塔桅当前所承载的负荷，需要采用多种方式，提出科学有效的措施，使得铁塔有更高的承载能力增加挂载。一方面可优化塔形，如在考虑满足铁塔生产厂家加工工艺的前提下，对塔身增加折边数量等，可进一步降低风荷载，从而减小塔根部直径。另一方面可细化建设地点，目前通信铁塔标准图集均按B类场景设计，对于在城市核心区建设的站点，可根据实际的场地地面粗糙度按A 类场地进行计算设计，达到减少塔身风荷载从而减小塔根部直径、降低塔重的目的。

（3）探索塔身新材料

可积极探索塔身新材料的创新应用，如高强度钢材、复合材料等。高强度钢材，基于市场供应、采购等考虑推荐优先采用Q420B，针对由主材应力控制的塔型（如三管塔、角钢塔、增高架等），塔体主材可以选择采用高强度钢材，提高塔体主材的设计强度，减少主材大小和壁厚或是在保持主材型号不变的情况下减少塔身根开，降低塔身重量，方便运输和安装，降低造价。复合材料杆塔轻质高强，易于人工搬运及安装，可解决二次搬运难、安装难的问题，降低敏感站点进场风险。现阶段复合材料杆塔在通信行业的应用尚属于起步阶段，原则上只有通过真型（整塔足尺模型）试验验证的塔型才可以在不超过测试荷载工况下的工程建设中规模应用，且复合材料单管塔目前主要应用于低风压地区且高度控制在30米以下，待技术验证成熟后可探索应用于更高塔型。

4 结束语

为落实国家5G 新基建战略，更好地满足5G 低成本、高效率建设需求，本文首先通过对以往标准铁塔图集中传统塔型使用现状和存在的弊端进行剖析，结合当前运营商5G 网络部署特点，提出了低成本铁塔优化改进方向，通过需求精细化、设计简约化、设计参数精细化等方法对现有传统塔型进行创新优化，充分挖掘了钢材的材料性能，研发出适应不同场景、不同高度、不同挂载能力的低碳塔型，并相继形成企业标准，在满足客户需求的同时，为行业降本增效。此外，在对现有塔桅结构研究基础上，还指明了后续可在“多杆合一”杆塔模式、塔形优化和细化建设场景以及探索耐候钢作为塔身新材料等方面展开研究，在技术升级的同时促进了经济增长，可有序推动新型信息基础设施绿色高质量发展。