5G 塔桅再利用的創新改造方案研究

祁小鈺

中國鐵塔股份有限公司江蘇省分公司

0 引言

隨著我國經濟的飛速發展，現代化網絡信息技術也取得了很大的進展，社會已逐步進入5G 時代。僅2019 年一年蘇州市5G 基站建設總量就高達6000 座，2020 年全年規劃完成1.5萬座5G 基站建設，超過中西部部分省份全省建設總量。

5G 網絡業務多樣性對網絡的靈活部署提出了更高的需求。5G 天線需支持大規模MIMO（massive MIMO），當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 系統天線合路。中興、華為、愛立信等主流廠家提供5G 設備AAU 與傳統的4G設備的性能參數對比見表1。

表1 主流廠家5G 設備AAU 與4G 設備參數對比表

現網鐵塔掛載能力如表2 所示，在密集城區、市區等5G熱點場景中，景觀塔、樓面塔是目前主要的應用類型，但其掛載能力相對薄弱。據測算，這些塔型的承載能力在經過優化設計后仍然不能滿足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 現網鐵塔整體掛載能力

鐵塔站點的狀況為“同一物理站址、多張網絡共存”，天面塔桅資源極度匱乏。通過對蘇州鐵塔現網情況調查，5G大規模建設前，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%的站點如想預留5G 資源，則需要對現有資源合路或新建塔桅等方式來實現。

以上5G 的特點以及鐵塔的現狀對鐵塔帶來比較大的挑戰，因此5G 必須突破傳統建網方式，充分挖掘存量站址潛力。迫切需要結合5G 技術的發展狀況和當前的基站設備形態，對5G 網絡塔桅整合改造流程和主要場景改造方案進行梳理和制定，結合現場特點，創新鐵塔改造方案，以有效降低建設投資和解決具體站點的協調、建設困難。

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，可以協調運營商合路天線或者新建塔桅。

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

表3 天線隔離度

1.2 改造流程

1.2.1 地面塔

地面塔的改造設計流程如下：

（1）核實天面信息

針對運營商本次新增5G 天線的數量、尺寸、重量、掛高等信息進行收集。

（2）塔桅現場勘察

踏勘塔桅現場，勘察確認天面掛載情況，排查現場存在的隱患問題。若有，則需優先處理相關隱患問題。

（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行建模計算，并分析安裝5 G 天線設備前后的受力，計算出其安全度是否滿足要求。計算安全度的最新指標主要包含計算風振系數采用的阻尼比值、單管塔的水平位移限值、天線及平臺折減系數等，其中單管塔的阻尼比可取為0.01，格構式塔架例如三管塔、角鋼塔等的阻尼比可取為0.02，原規范中格構式塔架的阻尼比取0.01，格構式塔架阻尼比的修改可減小風荷載計算值；單管塔水平位移限值由原先規范中的1/40修改為1/33，對插裝塔而言，在較低的應力條件下，塔身的位移可以適當放松，但不得低于1/30；天線及平臺折減系數取值如表4 所示。

圖1 鐵塔改造流程圖

表4 天線及平臺折減系數

（5）原塔桅加固改造

對經核算仍不能滿足要求的塔桅，可以對原有的塔桅進行加固（需考慮加固改造成本），以達到新增5G 設備的掛載要求，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有天線資源合并，樓面塔結構的加固方法就會與地面塔不同，具體的區別如下：

（1）樓面拉線塔

新增或更換原有拉線；部分存量拉線塔，在塔身達到設計要求，但拉線或錨固點存在松動等安全風險時，應先對拉線進行更換，其次增加天線支架；在經過安全評估后，如果塔身、拉線等條件均不能達到設計要求，首先需通過增加一層拉線的方式來對塔身進行加固，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，罩體具有通風散熱能力。

1.3 改造方案

（1）鐵塔增加支臂或平臺

依據安全評估結果，選擇在原塔結構上新增支臂或平臺。

（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，護欄高度在1.1m以上，天線與平臺相比，其擋風面積及體形系數都較小，所以應將平臺拆除并更換為天線支架，降低鐵塔的荷載，為新增天線創造條件。

（4）角鋼塔、鋼管塔截面增強

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

圖2 增加截面示意

（5）降低平臺高度

由于鐵塔結構為懸臂式結構，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載。

（6）景觀類鐵塔，拆除部分造型負荷

美化單管塔裝有裝飾輪、裝飾圈、燈盤、外罩等造型負荷，故截面尺寸較大。由于截面尺寸越大，其承受的風荷載也會越大，所以應當拆除美化外罩，從而減小風荷載，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

若要提高基礎抗拔和抗傾覆的能力，可以采用增加配重的方式實現。在土質條件較好的區域，角鋼塔、三管塔和單管塔基礎通常為獨立基礎。其中抗拔能力是角鋼塔與三管塔設計的主要控制因素，抗傾覆能力是單管塔設計的主要控制因素。因此在土質條件較好區域對獨立基礎的鐵塔可以采用砌筑的毛石或鋼筋混凝土等來增加配重，以對鐵塔進行加固。

（9）增大基礎底板

增大基礎底板，能夠快速提高基礎的抗拔能力，降低基礎對地基的壓力。這種加固方式對獨立基礎的角鋼塔、單管塔以及采用筏板基礎的三管塔較為有效。基礎底板增大后，基礎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度，應在基礎底板的頂部和底部植筋，基礎鋼筋宜采用化學植筋。

2 創新鐵塔改造方案

緊扣5G 建設的特點和蘇州建設實際情況，以常規的鐵塔改造方案為基礎，本論文提出了創新的鐵塔改造方案。

2.1 改造現有6 米配重抱桿掛載兩副5G 天線

現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，二次建設需求重復時，存在進場協調難，施工費用高的情況。

針對已有配重抱桿的基站，將結合現有配重抱桿結構原理、綜合考慮，利用彼此的結構特點，通過將配重抱桿進行擴建改造，達到每座抱桿可掛載兩副5G 天線的效果，可以減少建設時間，提升效率，減少協調難度。

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行連接加固，從而增加原有配重抱桿的配重能力。達到每座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濟效益對比如表5所示。

表5 本方案與新增抱桿方案的經濟效益對比表

圖3 改造現有6 米配重抱桿掛載兩幅5G 天線方案

圖4 上下加固現有3 米抱桿端部掛載兩幅5G 天線方案

2.2 加固現有3 米抱桿新增抱桿掛載兩副5G 天線

現階段鐵塔上抱桿均采用“一天線一抱桿”的形式。根據5G 天線的特點，天線高度在0.9 米以內，天線垂直隔離度至少為1 米，而塔身抱桿長度原設計一般均為3 米，對原有改造方案進行創新改造，上下兩層均靠抱桿端部固定，則可保證在一根抱桿上，可掛設兩副5G 天線設備。因此在有一家5G 需求進行鐵塔改造的時候，保證新增抱桿預留空間給另外一家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，此方案可節省一半的鐵塔改造投資。

此創新方案應用范圍廣泛，目前一個鐵塔兩家運營商增加5G 的比例統計已超過70%，對于現有鐵塔需要增加抱桿的站點，同步預留另外一家新增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 桿塔上新增設備支座平臺安裝5G 配套一體化機柜

一般傳統的做法是在桿塔附近地面新增水泥基礎，然后安裝5G 配套一體化機柜。該做法需占用土地資源，當現場的土地資源不足，沒有足夠的空間或現場周邊場景無法協調滿足機柜落地安裝時，將影響方案的進行。水泥基礎需一定的養護期，對建設工期要求高的站點影響較大。針對以上機柜安裝的痛點及難點，研發了一種“桿塔設備支座平臺”技術方案。該方案采用在通信桿塔上新增機柜鋼結構基礎，將機柜安裝于桿塔上，實現不占用任何土地資源，幫助5G 大批量部署。其結構上與輕鋼結構的牛腿力學性能相近，并保證最低通過高度滿足建筑設計規范上的最低通過高度（2m）。為滿足維護人員隨時上平臺進行維護，新增了鋼爬梯等附屬設施與平臺相連。本創新方案不占用土地資源，同時因采用鋼結構可實現短時間6 小時內完成基礎及機柜安裝的目標，極大地縮短了建設工期。

桿塔上新增設備支座平臺技術的開發，大大減少了通信5G 建設的協調問題，另外因為不需要澆筑機柜基礎，縮短了工程建設周期，加快了工程建設交付。本項創新技術已落實到常規工程建設實施中去，并在工程建設以及維護中充分展現了它的優勢所在，更快、更好、更高質量地協助特殊場景下的5G 基站建設順利完成。需要特別關注：由于機柜及鋼結構基礎重量較大，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新方案，景觀型及路燈桿型塔體較細、承載能力較弱不適宜此創新方案。如圖5 所示。

圖5 桿塔新增設備支座平臺安裝一體化機柜示意圖

3 結束語

通過應用本論文提出的研究成果，5G 建設中采用合理的鐵塔改造流程和改造方案，減少了5G 建設的協調問題，縮短了工程建設周期，加快了工程建設交付，保障了5G 建設工作的順利開展。蘇州鐵塔已完成超過15000 個5G 存量站點的建設，圓滿地完成了蘇州5G 實驗網、商用網的階段建設任務，蘇州的5G 建設無論是數量、質量和速度都走在了全國的前列。

在鐵塔改造中通過采用創新方案獲也獲得了良好的經濟收益。其中采取一根抱桿安裝2 付5G 天線方案的站點達到了982 個，預計可節省投資378 萬元。