祁小鈺

中國鐵塔股份有限公司江蘇省分公司

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)也取得了很大的進(jìn)展，社會已逐步進(jìn)入5G 時代。僅2019 年一年蘇州市5G 基站建設(shè)總量就高達(dá)6000 座，2020 年全年規(guī)劃完成1.5萬座5G 基站建設(shè)，超過中西部部分省份全省建設(shè)總量。

5G 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)多樣性對網(wǎng)絡(luò)的靈活部署提出了更高的需求。5G 天線需支持大規(guī)模MIMO（massive MIMO），當(dāng)下戶外宏站天線通常采用64T/64R，并與RF 模塊集成在一起，即有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU），具有體積小、重量大、寬度大的特點，但是難以與2G/3G/4G 系統(tǒng)天線合路。中興、華為、愛立信等主流廠家提供5G 設(shè)備AAU 與傳統(tǒng)的4G設(shè)備的性能參數(shù)對比見表1。

表1 主流廠家5G 設(shè)備AAU 與4G 設(shè)備參數(shù)對比表

現(xiàn)網(wǎng)鐵塔掛載能力如表2 所示，在密集城區(qū)、市區(qū)等5G熱點場景中，景觀塔、樓面塔是目前主要的應(yīng)用類型，但其掛載能力相對薄弱。據(jù)測算，這些塔型的承載能力在經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后仍然不能滿足5G 的要求，存在著巨大的共享壓力，如果新建鐵塔，將面臨投資高、選址難等一系列問題。

表2 現(xiàn)網(wǎng)鐵塔整體掛載能力

鐵塔站點的狀況為“同一物理站址、多張網(wǎng)絡(luò)共存”，天面塔桅資源極度匱乏。通過對蘇州鐵塔現(xiàn)網(wǎng)情況調(diào)查，5G大規(guī)模建設(shè)前，具有空余抱桿可直接利舊的站點只占全部站點的12%。大約88%的站點如想預(yù)留5G 資源，則需要對現(xiàn)有資源合路或新建塔桅等方式來實現(xiàn)。

以上5G 的特點以及鐵塔的現(xiàn)狀對鐵塔帶來比較大的挑戰(zhàn)，因此5G 必須突破傳統(tǒng)建網(wǎng)方式，充分挖掘存量站址潛力。迫切需要結(jié)合5G 技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和當(dāng)前的基站設(shè)備形態(tài)，對5G 網(wǎng)絡(luò)塔桅整合改造流程和主要場景改造方案進(jìn)行梳理和制定，結(jié)合現(xiàn)場特點，創(chuàng)新鐵塔改造方案，以有效降低建設(shè)投資和解決具體站點的協(xié)調(diào)、建設(shè)困難。

1 鐵塔改造原則、流程和改造方案

1.1 改造原則

首先是利用現(xiàn)有的天面資源，然后是增加抱桿或支臂，如果兩者都不能滿足，可以協(xié)調(diào)運(yùn)營商合路天線或者新建塔桅。

天面增加抱桿或支臂時，要考慮到各個系統(tǒng)的天饋垂直和水平隔離度，并按廠家的最新要求，計算結(jié)果如表3 所示。

表3 天線隔離度

1.2 改造流程

1.2.1 地面塔

地面塔的改造設(shè)計流程如下：

（1）核實天面信息

針對運(yùn)營商本次新增5G 天線的數(shù)量、尺寸、重量、掛高等信息進(jìn)行收集。

（2）塔桅現(xiàn)場勘察

踏勘塔桅現(xiàn)場，勘察確認(rèn)天面掛載情況，排查現(xiàn)場存在的隱患問題。若有，則需優(yōu)先處理相關(guān)隱患問題。

（3）抱桿直接利舊

針對無隱患或已解決隱患的塔桅，如果有空余抱桿，則可直接利舊空余抱桿掛載新增5G 天線（原塔桅掛載微波天線或面積大于0.65m2 的天線除外）。

（4）塔身新增抱桿

對于無隱患或已處理隱患的塔桅，若塔桅上已沒有多余的抱桿，則需要按照原有圖紙對塔桅進(jìn)行建模計算，并分析安裝5 G 天線設(shè)備前后的受力，計算出其安全度是否滿足要求。計算安全度的最新指標(biāo)主要包含計算風(fēng)振系數(shù)采用的阻尼比值、單管塔的水平位移限值、天線及平臺折減系數(shù)等，其中單管塔的阻尼比可取為0.01，格構(gòu)式塔架例如三管塔、角鋼塔等的阻尼比可取為0.02，原規(guī)范中格構(gòu)式塔架的阻尼比取0.01，格構(gòu)式塔架阻尼比的修改可減小風(fēng)荷載計算值；單管塔水平位移限值由原先規(guī)范中的1/40修改為1/33，對插裝塔而言，在較低的應(yīng)力條件下，塔身的位移可以適當(dāng)放松，但不得低于1/30；天線及平臺折減系數(shù)取值如表4 所示。

圖1 鐵塔改造流程圖

表4 天線及平臺折減系數(shù)

（5）原塔桅加固改造

對經(jīng)核算仍不能滿足要求的塔桅，可以對原有的塔桅進(jìn)行加固（需考慮加固改造成本），以達(dá)到新增5G 設(shè)備的掛載要求，常用的加固方案如下：①將平臺拆除，用天線支架直接固定于塔身替代。②將塔身的標(biāo)識以及其他遮擋物拆除，同時在塔上安裝天線支架。③增加原有塔桅剛性支撐，同時在塔上安裝天線支架。④增加原有塔桅拉線，同時在塔上安裝天線支架。

（6）天線合路

對于核算后，無法滿足掛載需求的塔桅，可將原有多套天線替換為一套多端口天線，空余出的抱桿安裝5G 天線。

（7）另址新建

對于核算后，無法滿足掛載需求的塔桅，且無法進(jìn)行天線合路等情況，則需在站址附近選址新建。

1.2.2 樓面站

樓面塔的改造流程和地面塔類似，但其掛載能力要比地面塔低得多，如果塔身沒有多余的抱桿，并且無法通過合路方式將現(xiàn)有天線資源合并，樓面塔結(jié)構(gòu)的加固方法就會與地面塔不同，具體的區(qū)別如下：

（1）樓面拉線塔

新增或更換原有拉線；部分存量拉線塔，在塔身達(dá)到設(shè)計要求，但拉線或錨固點存在松動等安全風(fēng)險時，應(yīng)先對拉線進(jìn)行更換，其次增加天線支架；在經(jīng)過安全評估后，如果塔身、拉線等條件均不能達(dá)到設(shè)計要求，首先需通過增加一層拉線的方式來對塔身進(jìn)行加固，其次再增加天線支架。

（2）自立式或附墻抱桿

針對無法直接增加5G 天線設(shè)備的情況，可采用就近新建自立式抱桿或附墻抱桿方式增加5G 天線設(shè)備。

（3）新建樓頂美化方柱外罩

由于5G 有源天線單元尺寸較寬，新建樓頂美化方柱外罩尺寸不低于0.9x0.9m，罩體具有通風(fēng)散熱能力。

1.3 改造方案

（1）鐵塔增加支臂或平臺

依據(jù)安全評估結(jié)果，選擇在原塔結(jié)構(gòu)上新增支臂或平臺。

（2）支架式抱桿鐵塔類

可采取增加支臂長度方式保障天線的隔離度，將一層3根抱桿改造為6 根抱桿，保障施工安裝安全和方便。

（3）拆除平臺更換為支架

由于一般塔桅平臺的直徑在2.5m 以上，護(hù)欄高度在1.1m以上，天線與平臺相比，其擋風(fēng)面積及體形系數(shù)都較小，所以應(yīng)將平臺拆除并更換為天線支架，降低鐵塔的荷載，為新增天線創(chuàng)造條件。

（4）角鋼塔、鋼管塔截面增強(qiáng)

將型鋼、鋼板等連接在原構(gòu)件上，以達(dá)到改善原構(gòu)件承載力的目的，這種連接不需拆除原有構(gòu)件，而直接增加構(gòu)件的承載力。如圖2 所示。

圖2 增加截面示意

（5）降低平臺高度

由于鐵塔結(jié)構(gòu)為懸臂式結(jié)構(gòu)，可以通過降低整體高度或降低平臺的固定位置可以有效地減輕其負(fù)載。

（6）景觀類鐵塔，拆除部分造型負(fù)荷

美化單管塔裝有裝飾輪、裝飾圈、燈盤、外罩等造型負(fù)荷，故截面尺寸較大。由于截面尺寸越大，其承受的風(fēng)荷載也會越大，所以應(yīng)當(dāng)拆除美化外罩，從而減小風(fēng)荷載，提高共享能力。

（7）拉線塔更換或增加拉線

若原拉線塔塔體在新增加天線后塔身滿足要求但拉線無法滿足要求時，可以用大直徑的拉線代替原有的拉線。如果更換大直徑拉線仍然無法滿足要求，則可以通過增加拉線的方式，減小拉線塔身的長細(xì)比，從而提高其承載力。這種方法對地面或樓面的拉點施工要求較高，如果原有拉點承載力不夠，就需要在新的位置重新布置新增拉線的拉點。

（8）增加地面配重

若要提高基礎(chǔ)抗拔和抗傾覆的能力，可以采用增加配重的方式實現(xiàn)。在土質(zhì)條件較好的區(qū)域，角鋼塔、三管塔和單管塔基礎(chǔ)通常為獨立基礎(chǔ)。其中抗拔能力是角鋼塔與三管塔設(shè)計的主要控制因素，抗傾覆能力是單管塔設(shè)計的主要控制因素。因此在土質(zhì)條件較好區(qū)域?qū)Κ毩⒒A(chǔ)的鐵塔可以采用砌筑的毛石或鋼筋混凝土等來增加配重，以對鐵塔進(jìn)行加固。

（9）增大基礎(chǔ)底板

增大基礎(chǔ)底板，能夠快速提高基礎(chǔ)的抗拔能力，降低基礎(chǔ)對地基的壓力。這種加固方式對獨立基礎(chǔ)的角鋼塔、單管塔以及采用筏板基礎(chǔ)的三管塔較為有效?；A(chǔ)底板增大后，基礎(chǔ)懸臂段長度與厚度比不宜超過2.5。在施工時需注意的是僅在需要增大基礎(chǔ)底板的位置開挖，以確保塔身的承載力依然保持較高的水平。此外為了確保鋼筋連接的強(qiáng)度，應(yīng)在基礎(chǔ)底板的頂部和底部植筋，基礎(chǔ)鋼筋宜采用化學(xué)植筋。

2 創(chuàng)新鐵塔改造方案

緊扣5G 建設(shè)的特點和蘇州建設(shè)實際情況，以常規(guī)的鐵塔改造方案為基礎(chǔ)，本論文提出了創(chuàng)新的鐵塔改造方案。

2.1 改造現(xiàn)有6 米配重抱桿掛載兩副5G 天線

現(xiàn)階段樓面站新建天線抱桿均采用“一天線一抱桿”的形式，占地面積大，二次建設(shè)需求重復(fù)時，存在進(jìn)場協(xié)調(diào)難，施工費用高的情況。

針對已有配重抱桿的基站，將結(jié)合現(xiàn)有配重抱桿結(jié)構(gòu)原理、綜合考慮，利用彼此的結(jié)構(gòu)特點，通過將配重抱桿進(jìn)行擴(kuò)建改造，達(dá)到每座抱桿可掛載兩副5G 天線的效果，可以減少建設(shè)時間，提升效率，減少協(xié)調(diào)難度。

采用槽鋼對已建好原有6 米配重抱桿底座混凝土配重塊進(jìn)行連接加固，從而增加原有配重抱桿的配重能力。達(dá)到每座6 米抱桿能夠安裝掛載兩副5G 天線的功能。具體的工藝做法見圖3 所示，本方案與新增抱桿方案的經(jīng)濟(jì)效益對比如表5所示。

表5 本方案與新增抱桿方案的經(jīng)濟(jì)效益對比表

圖3 改造現(xiàn)有6 米配重抱桿掛載兩幅5G 天線方案

圖4 上下加固現(xiàn)有3 米抱桿端部掛載兩幅5G 天線方案

2.2 加固現(xiàn)有3 米抱桿新增抱桿掛載兩副5G 天線

現(xiàn)階段鐵塔上抱桿均采用“一天線一抱桿”的形式。根據(jù)5G 天線的特點，天線高度在0.9 米以內(nèi)，天線垂直隔離度至少為1 米，而塔身抱桿長度原設(shè)計一般均為3 米，對原有改造方案進(jìn)行創(chuàng)新改造，上下兩層均靠抱桿端部固定，則可保證在一根抱桿上，可掛設(shè)兩副5G 天線設(shè)備。因此在有一家5G 需求進(jìn)行鐵塔改造的時候，保證新增抱桿預(yù)留空間給另外一家5G 天線安裝使用，并保證抱桿荷載可以滿足2副5G 天線安裝，此方案可節(jié)省一半的鐵塔改造投資。

此創(chuàng)新方案應(yīng)用范圍廣泛，目前一個鐵塔兩家運(yùn)營商增加5G 的比例統(tǒng)計已超過70%，對于現(xiàn)有鐵塔需要增加抱桿的站點，同步預(yù)留另外一家新增5G 天線安裝空間，能有效提高天面資源的利用率，降低投資成本。

2.3 桿塔上新增設(shè)備支座平臺安裝5G 配套一體化機(jī)柜

一般傳統(tǒng)的做法是在桿塔附近地面新增水泥基礎(chǔ)，然后安裝5G 配套一體化機(jī)柜。該做法需占用土地資源，當(dāng)現(xiàn)場的土地資源不足，沒有足夠的空間或現(xiàn)場周邊場景無法協(xié)調(diào)滿足機(jī)柜落地安裝時，將影響方案的進(jìn)行。水泥基礎(chǔ)需一定的養(yǎng)護(hù)期，對建設(shè)工期要求高的站點影響較大。針對以上機(jī)柜安裝的痛點及難點，研發(fā)了一種“桿塔設(shè)備支座平臺”技術(shù)方案。該方案采用在通信桿塔上新增機(jī)柜鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，將機(jī)柜安裝于桿塔上，實現(xiàn)不占用任何土地資源，幫助5G 大批量部署。其結(jié)構(gòu)上與輕鋼結(jié)構(gòu)的牛腿力學(xué)性能相近，并保證最低通過高度滿足建筑設(shè)計規(guī)范上的最低通過高度（2m）。為滿足維護(hù)人員隨時上平臺進(jìn)行維護(hù)，新增了鋼爬梯等附屬設(shè)施與平臺相連。本創(chuàng)新方案不占用土地資源，同時因采用鋼結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)短時間6 小時內(nèi)完成基礎(chǔ)及機(jī)柜安裝的目標(biāo)，極大地縮短了建設(shè)工期。

桿塔上新增設(shè)備支座平臺技術(shù)的開發(fā)，大大減少了通信5G 建設(shè)的協(xié)調(diào)問題，另外因為不需要澆筑機(jī)柜基礎(chǔ)，縮短了工程建設(shè)周期，加快了工程建設(shè)交付。本項創(chuàng)新技術(shù)已落實到常規(guī)工程建設(shè)實施中去，并在工程建設(shè)以及維護(hù)中充分展現(xiàn)了它的優(yōu)勢所在，更快、更好、更高質(zhì)量地協(xié)助特殊場景下的5G 基站建設(shè)順利完成。需要特別關(guān)注：由于機(jī)柜及鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)重量較大，因此底部鋼管較為粗壯的大單管塔或市政廣告牌站點可采用此創(chuàng)新方案，景觀型及路燈桿型塔體較細(xì)、承載能力較弱不適宜此創(chuàng)新方案。如圖5 所示。

圖5 桿塔新增設(shè)備支座平臺安裝一體化機(jī)柜示意圖

3 結(jié)束語

通過應(yīng)用本論文提出的研究成果，5G 建設(shè)中采用合理的鐵塔改造流程和改造方案，減少了5G 建設(shè)的協(xié)調(diào)問題，縮短了工程建設(shè)周期，加快了工程建設(shè)交付，保障了5G 建設(shè)工作的順利開展。蘇州鐵塔已完成超過15000 個5G 存量站點的建設(shè)，圓滿地完成了蘇州5G 實驗網(wǎng)、商用網(wǎng)的階段建設(shè)任務(wù)，蘇州的5G 建設(shè)無論是數(shù)量、質(zhì)量和速度都走在了全國的前列。

在鐵塔改造中通過采用創(chuàng)新方案獲也獲得了良好的經(jīng)濟(jì)收益。其中采取一根抱桿安裝2 付5G 天線方案的站點達(dá)到了982 個，預(yù)計可節(jié)省投資378 萬元。