建筑頂部模塊化通信塔架系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

摘要：為解決目前在建筑物頂部加建通信塔時(shí)費(fèi)用高、工期長(zhǎng)的問題，通過對(duì)已有建筑物頂部加建通信塔的結(jié)構(gòu)的分析，闡述了此類結(jié)構(gòu)在進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工時(shí)存在的問題和目前的解決方法，綜述了目前此類結(jié)構(gòu)的可行性方案、設(shè)計(jì)方法及原則。通過設(shè)計(jì)模塊化的塔體和底座，使在建筑物頂部加建20m以下的通信塔的費(fèi)用降低、施工時(shí)間縮短，所得結(jié)論對(duì)建筑物頂部加建通信塔的設(shè)計(jì)由一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：通信塔模塊化塔體配重底座

中圖分類號(hào)：TN929.5? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1672-3791（2022）03（b）-0000-00

Analysis and Design of Nodular Communication Tower System on the top of Building

LIU Hao

（Electromechanic Research Institute，Hengshui University，Hengshui，hebei Province，053000 China）

Abstract： In order to solve the problems of high cost and long construction period when adding communication tower on the top of buildings， through the analysis of the structure of adding communication tower on the top of existing buildings， this paper expounds the problems existing in the design and construction of this kind of structure and the current solutions， and summarizes the feasible scheme， design method and principle of this kind of structure at present. By designing the modular tower body and base， the cost and construction time of adding a communication tower less than 20 meters on the top of the building are reduced. The conclusion has certain guiding significance for the design of adding a communication tower on the top of the building.

Key Words： Communication tower;Modularization;Communication tower body;Counterweight base

1建筑物頂部建設(shè)通信塔的必要性

隨著移動(dòng)通信在日常生活和生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，通信技術(shù)行業(yè)飛速發(fā)展，人們對(duì)信號(hào)的覆蓋程度和穩(wěn)定性要求越來越高，尤其是進(jìn)入5G時(shí)代以后，由于技術(shù)上的要求傳輸信號(hào)的通信塔的分布密度增加，但是在目前城市的規(guī)劃空間中，并未充分預(yù)留這部分空間。同時(shí)由于信號(hào)傳輸?shù)闹本€型傳播特點(diǎn)，中間的阻礙物越多，信號(hào)的衰減率越高，這就對(duì)通信塔的高度提出了更高的要求。綜合以上問題，在已有的建筑物的頂部加建通信塔是最經(jīng)濟(jì)、最合適的方案。

2建筑物頂部通信塔發(fā)展現(xiàn)狀

在以往的建筑物頂部加建通信塔的過程中，通常都是使用外形為拋物線型或者錐型的通信塔。

這樣的塔體在建造時(shí)，在設(shè)計(jì)好塔體結(jié)構(gòu)之后通過拆圖的方式，將塔體圖紙拆解為每一個(gè)組成塔體的角鋼或者其他截面鋼材的不同長(zhǎng)度的模塊。因建筑物的承載能力有限，還需考慮結(jié)構(gòu)的重量以及與建筑物頂部的連接方式等。對(duì)于不同的建筑物頂部的空間以及預(yù)留的連接方式，影響頂部加建的通信塔的結(jié)構(gòu)。

2.1模塊化設(shè)計(jì)在通信塔行業(yè)里的發(fā)展現(xiàn)狀

2017年7月在甘肅省張掖山丹縣建立了第一個(gè)模塊化通信塔的應(yīng)用實(shí)例。

2018年陳思穎提出造價(jià)和安全是通信塔建設(shè)的兩個(gè)核心問題。單元組合式鐵塔（簡(jiǎn)稱單元鐵塔）是目前解決以上問題的最好方式[1]。

2019年何玉峰利用分層空間桁架法設(shè)計(jì)了一種模塊組合式鐵塔，模塊組合式鐵塔由塔節(jié)單元以不同數(shù)量和組合形式組合拼裝而成，并通過基于SP2000的有限元法對(duì)鐵塔進(jìn)行了抗風(fēng)性能分析，塔節(jié)最大應(yīng)力和塔架最大位移均小于其許用值[2]。

2021年6月6日，我國(guó)北方首座單元組合式角鋼通信塔完成組立，高約55 m。該通信塔是在京濱城際鐵路建造高度最高的一座單元組合式角鋼鐵塔。

2.2建筑物頂部鐵塔建設(shè)現(xiàn)狀

2004年劉和友分析塔-房屋組合體的結(jié)構(gòu)并合理設(shè)計(jì)通信塔的塔型及塔-房連接件的必要性。需要重新設(shè)計(jì)塔體結(jié)構(gòu)，并對(duì)塔-房組合體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出了結(jié)構(gòu)計(jì)算的計(jì)算內(nèi)容[3]。王元德、劉愛文研究發(fā)現(xiàn)，在地震中對(duì)于屋頂?shù)耐ㄐ潘氖恢猛ǔ３霈F(xiàn)在主體結(jié)構(gòu)與上部鋼塔結(jié)構(gòu)的連接處，連接構(gòu)件超過變形屈服極限，造成塔體倒伏[4]。通過ANSYS進(jìn)行有限元分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在建筑物頂部加建通信塔后，需要對(duì)建筑主體結(jié)構(gòu)采用適當(dāng)?shù)募庸檀胧5]。

3建筑物頂部模塊化通信塔的意義

3.1目前建筑物頂部加建通信塔的現(xiàn)狀

目前已經(jīng)存在的建筑物頂部的通信塔主要有幾類，分別為按制造材料分：角鋼塔、多管塔、單管塔。按受力性能分：空間桁架結(jié)構(gòu)、懸臂結(jié)構(gòu)、桅桿結(jié)構(gòu)。按塔體的固定方式分自立式、拉線式、附著式[6]。

除此之外，還有專門針對(duì)建筑物的形狀，專門設(shè)計(jì)的造型塔。集成了通信塔及美觀的雙重功能。以上分類都可以使用在建筑物頂部通信塔的建設(shè)上[7]。

3.2目前建筑物頂部加建通信塔的問題

3.2.1建筑物的承重問題

在建筑物頂部建造或者加建通信塔時(shí)，首先要考慮建筑物的本體設(shè)計(jì)承重，部分老式建筑建造年代較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮在頂部加建通信塔等設(shè)備。

3.2.2加建通信塔的建筑在地震中產(chǎn)生的鞭梢效應(yīng)

在地震中，尤其是層數(shù)較高的建筑，在加建通信塔之后會(huì)由于通信塔而產(chǎn)生鞭梢效應(yīng)，對(duì)建筑物頂部的若干層的建構(gòu)強(qiáng)度和通信塔與樓體之間的連接部分的強(qiáng)度產(chǎn)生比較大的負(fù)載，極易造成建筑物頂部的結(jié)構(gòu)變形或者是塔體與建筑物連接結(jié)構(gòu)的變形失效[8]。

3.2.3加建通信塔的過程復(fù)雜、效率低、費(fèi)用高

在建筑物頂部加建通信塔時(shí)，通常的步驟是通過電梯或者吊裝機(jī)械將通信塔的零配件轉(zhuǎn)運(yùn)至建筑物頂部進(jìn)行施工操作。使工期增加，效率降低。

如果建筑物高度滿足在地面使用吊裝設(shè)備輔助安裝，租借吊裝設(shè)備的周期相對(duì)較長(zhǎng)，高層吊裝設(shè)備租借費(fèi)用也較高。

3.2.4加建通信塔與建筑物的連接困難且復(fù)雜

目前樓頂加建通信塔現(xiàn)行常用做法有4種方式。

第一，將樓頂?shù)某兄刂崎_，在原結(jié)構(gòu)中植入鋼筋，可以分為直接植入螺桿基礎(chǔ)或者是鋼筋加長(zhǎng)柱式基礎(chǔ)兩種，植入后重新澆筑。然后將塔體的承重連接結(jié)構(gòu)或者纜繩連接到鋼筋上，使塔體與建筑產(chǎn)生連接關(guān)系，適用于螺桿小于M27的情況。這種施工方式時(shí)間長(zhǎng)，需重新澆筑施工，影響使用者感受。成本高，通信塔建好后不能隨便移動(dòng)。

第二，在屋頂框架柱上預(yù)埋螺栓，需要鑿開原來的建筑支撐柱的混凝土保護(hù)層，找到支撐柱的主鋼筋，與新加建的短柱鋼筋進(jìn)行焊接操作后重新澆筑。這種方式破壞較大，極易發(fā)生漏水等情況。同時(shí)這種方式對(duì)于樓體的原結(jié)構(gòu)的影響較大，施工時(shí)間較長(zhǎng)，相對(duì)于第一種方式缺點(diǎn)更多。

第三，配重式基礎(chǔ)，這種方式要求塔高不能超過20m，在塔體底部的四周放置配重塊，通過主桿和斜拉的支撐桿底部的配重抵抗整體的傾覆趨勢(shì)。這種方式對(duì)樓頂面沒有任何的破壞。缺點(diǎn)是只能使用在小型通信塔的建造上，同時(shí)對(duì)于塔體上部在天線載荷也有一定的限制。在滿足樓型單位面積承重的情況下使用。

第四，工字鋼式基礎(chǔ)，這種方式一般是在樓頂面使用工字鋼，槽鋼等材質(zhì)制作底座結(jié)構(gòu)放置在樓頂面上，然后將加建的通信塔安裝在底座上部。工字鋼底座可以在樓頂與樓頂面或者女墻進(jìn)行連接。這種方式適合用在高度小于20m的多邊形塔上。

3.3建筑物頂部模塊化通信塔的設(shè)計(jì)意義

如果能將在樓頂部加建的通信塔塔體和底座設(shè)計(jì)為已經(jīng)預(yù)制好的模塊，搬運(yùn)到樓頂進(jìn)行組裝。在一定程度上能夠提高建設(shè)的效率，降低費(fèi)用。模塊化通信塔還能夠針對(duì)建筑物頂部的不同環(huán)境，產(chǎn)生不同的組合效果，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程更加簡(jiǎn)潔高效，降低設(shè)計(jì)成本[9]。

因此，將建筑物頂部加建的通信塔進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，意義十分重要。

4建筑物頂部模塊化通信塔解決方案及設(shè)計(jì)

4.1解決方案的解決目標(biāo)

針對(duì)前述現(xiàn)實(shí)情況，我們將模塊化思想引入建筑物頂部通信塔設(shè)計(jì)中來，主要解決如下的問題。

（1）在樓頂加建通信塔的施工時(shí)，由于需要在破拆主體結(jié)構(gòu)支撐柱之后，植入鋼筋或者螺栓，然后在進(jìn)行重新澆筑，時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，尤其是在天氣狀況不理想如溫度低等情況下，可能需要更長(zhǎng)時(shí)間。

（2）在加建通信塔時(shí)，通常使用的方法都是將零配件搬運(yùn)到樓頂之后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)搭接，需要搬運(yùn)的零配件非常多，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)管理要求比較高。容易出現(xiàn)安裝錯(cuò)誤等問題。

（3）在塔體可以進(jìn)行吊裝的情況下，租賃吊裝機(jī)械的費(fèi)用較高，同時(shí)很多大型組件必須借助大型吊裝設(shè)備才能安裝，這樣就提高了安裝的整體費(fèi)用。

（4）加建之后的通信塔經(jīng)過一段時(shí)間使用之后，難免出現(xiàn)一些損壞或者被銹蝕，單獨(dú)設(shè)計(jì)加工的配件一般沒有準(zhǔn)備替換備件，同時(shí)整體設(shè)計(jì)的塔體在拆卸、重裝的過程也比較繁雜，給施工帶來了困難，也提高了維修維護(hù)的費(fèi)用。

4.2解決方案的設(shè)計(jì)

通過使用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將通信塔分為兩個(gè)部分來進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，塔體部分和底座部分。

4.2.1塔體部分模塊化設(shè)計(jì)

由于在地面建設(shè)的模塊化塔體結(jié)構(gòu)已經(jīng)有很多種不同的模式，但是在樓頂建設(shè)的通信塔目前并沒有模塊化方案。我們可以將在地面建設(shè)的模塊化通信塔方案進(jìn)行優(yōu)化和改造，找到適合在樓頂建設(shè)的方案。

目前常見的模塊化通信塔的模塊結(jié)構(gòu)一般是使用長(zhǎng)方體的框架結(jié)構(gòu)，即交叉腹桿式，橫截面的橫隔采用交叉式。

由于在樓頂安裝空間的限制，同時(shí)在建筑物頂部的通信塔的高度一般在6～12m左右，所以我們將每個(gè)模塊的尺寸設(shè)計(jì)為高度為2.5m，截面尺寸為0.5m×0.5m的正方形截面。這樣通過橫向連接和縱向連接可以組合成適合不同樓頂建造環(huán)境的通信塔。對(duì)于塔體高度較高的可以采用很多種方案來滿足建設(shè)要求。綜合底座的需求，形成最終方案。

4.2.2底座部分的模塊化設(shè)計(jì)

目前的塔體建設(shè)中，對(duì)于底座的要求主要就是在樓頂承載力滿足要求的情況下與樓頂面的連接，同時(shí)在塔體較高的情況下，通過何種方式防止塔尖部在風(fēng)載或者地震載荷時(shí)產(chǎn)生比較大的位置偏移。

這樣的要求下如果我們將底座模塊化，將底座設(shè)計(jì)成可以組合在一起的不同的部分，那么就能在不同的樓頂承載力情況下搭配出適合的重量要求，或者是搭配出不同的與地面的連接部分。鑒于在破拆樓頂支撐柱以及使用工字鋼拼接成底座的情況下，底座的設(shè)計(jì)要求并不高。我們主要設(shè)計(jì)在塔體高度低于20m的情況下，使用配重的方式滿足塔體的底座需求。

將塔體底座的水泥配重設(shè)計(jì)成模塊化，每類模塊有不同的使用特點(diǎn)，相同或者不同類模塊之間可以通過螺栓等進(jìn)行連接。類似于塔體的單元式結(jié)構(gòu)。

同時(shí)在一些不需要太大的配重的情況下，設(shè)計(jì)一種提前將角鋼澆筑進(jìn)水泥中的模塊。這樣可以在需要水泥塊配重與塔體進(jìn)行連接時(shí)，不需要現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行澆筑，直接使用模塊即可。具體情況見圖1。

4.2.3綜合應(yīng)用價(jià)值

通過設(shè)計(jì)的模塊化的塔體和底座，我們就可以針對(duì)客戶的需要和建設(shè)位置的實(shí)際環(huán)境，搭配出不同形式的最適合的通信塔。具體情況見圖2。

5結(jié)語

該課題主要根據(jù)目前國(guó)家對(duì)鐵塔建設(shè)行業(yè)的要求，以及通過對(duì)目前鐵塔建設(shè)行業(yè)在鐵塔建設(shè)過程中的問題進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)塔體構(gòu)建制造在標(biāo)準(zhǔn)化、質(zhì)量控制、擴(kuò)容加固和使用年限幾個(gè)方面存在很多較難解決的問題。該課題采用模塊化形式的塔體結(jié)構(gòu)和底座結(jié)構(gòu)，使用模塊搭接的方法建設(shè)建筑物頂部的通信塔系統(tǒng)，經(jīng)過根據(jù)建筑物頂部的建造位置情況將底座模塊相互搭接，行程最優(yōu)化的通信塔建造基礎(chǔ)，然后將模塊化的塔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速安裝，可以快捷的完成塔體結(jié)構(gòu)的建設(shè)。

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基金項(xiàng)目：建筑物頂部模塊化通信塔架系統(tǒng)《河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目資助》（項(xiàng)目編號(hào)：QN2018331）。

作者簡(jiǎn)介：劉浩（1985—），男，碩士，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。