建筑顶部模块化通信塔架系统的分析与设计

建筑顶部模块化通信塔架系统的分析与设计

刘浩

衡水学院 机电研究所 衡水 053000

摘要：通过对已有建筑物顶部加建通信塔的结构的分析，介绍了此类结构的可行性方案、设计方法及原则。在此基础上，将模块化建造方式应用在塔体及底座系统上，所得结论对建筑物顶部加建通信塔的设计由一定的指导意义。

关键词：通信塔、模块化、塔体、配重底座

1.引言

随着移动通信在日常生活和生产中的广泛应用，通信技术行业飞速发展，人们对信号的覆盖程度和稳定性要求越来越高，尤其是进入5G时代以后，由于技术上的要求传输信号的通信塔的分布密度增加，但是在目前城市的规划空间中，并未充分预留这部分空间。同时由于信号传输的直线型传播特点，中间的阻碍物越多，信号的衰减率越高，这就对通信塔的高度提出了更高的要求。综合以上问题，在已有的建筑物的顶部加建通信塔是最经济、最合适的方案。这样可以节省一部分建造塔体的钢材从而节省建造费用，减小由于塔体高耸产生的不可避免的结构性位移变形，也能节省建筑用地。

1.1以往的建筑物顶部通信塔

在以往的建筑物顶部加建通信塔的过程中，通常都是使用一般形式的通信塔（如图1） ，外形为抛物线型或者锥型。

图1 楼顶通信塔

这样的塔体在建造时，使用的建造模式同在地面建设的模式相同。在设计好塔体结构之后通过拆图的方式，将塔体图纸拆解为每一个组成塔体的角钢或者其他截面钢材的不同长度的模块。同时因为要考虑到建筑物的承载能力，这种方式还需要考虑结构的重量以及与建筑物顶部的连接方式等。对于不同的建筑物，其顶部的空间以及预留的连接方式，将影响顶部加建的通信塔的结构。这就给通信塔的设计带来高要求。

1.2模块化设计在通信塔行业里的发展现状

2017年7月在甘肃省张掖山丹县建立了第一个模块化通信塔的应用实例。

2018年中国铁塔股份有限公司的陈思颖，研究了模块化设计在通信塔领域的应用，其提出造价和安全是通信塔建设的两个核心问题。单元组合式铁塔（简称单元铁塔）是目前解决以上问题的最好方式^[1]。

2019年北京邮电大学的何玉峰在模块组合式通信铁塔设计一文中利用分层空间桁架法设计了一种模块组合式铁塔，模块组合式铁塔由塔节单元以不同数量和组合形式组合拼装而成，并通过基于SP2000的有限元法对铁塔进行了抗风性能分析，塔节最大应力和塔架最大位移均小于其许用值^[2]。

2021年6月6日，我国北方首座单元组合式角钢通信塔完成组立，建成后可有效解决因冻害恶劣气候导致四管塔内壁结冰冻裂及线路侧铁塔倾覆的风险。该通信塔是项目部在京滨城际铁路建造高度最高的一座单元组合式角钢铁塔，高约55米。

1.3建筑物顶部铁塔建设现状

2004年安徽省邮电规划设计院的刘和友在既有建筑物楼顶通信塔设计一文中提出在现有建筑物上安装通信塔，必须要进行可靠性鉴定，确保安全。其中主要的是分析塔-房屋组合体的结构，从而合理设计通信塔的塔型及塔-房连接件。需要重新设计塔体结构，并对塔-房组合体的结构进行分析，提出了结构计算的计算内容，即风荷载计算和地震荷载计算^[3]。

中国地震局地球物理研究所的王元德、刘爱文研究发现，在地震中对于屋顶的通信塔的失效位置通常出现在主体结构与上部钢塔结构的连接处，连接构件超过变形屈服极限，造成塔体倒伏^[4]。通过ANSYS进行有限元分析对比发现，在建筑物顶部加建通信塔后，需要对建筑主体结构采用适当的加固措施^[5]。

中国二十冶集团有限公司的司坤依托云南临沧新闻中心工程，描述了超高层钢结构屋顶信号塔的施工技术，在文中描述的楼顶通信塔主要是通过焊接的方式进行连接，并且结构也属于定制的形状，因此对于一般形式的楼顶通信塔的建造没有太多的借鉴意义^[6]。

2. 建筑物顶部模块化通信塔的意义

2.1目前建筑物顶部加建通信塔的现状

目前已经存在的建筑物顶部的通信塔主要有几类，分别为：

1. 按照制造材料分类：有角钢作为主要构件的角钢塔，一般使用焊接或者螺栓连接；以无缝钢管作为主要构件的多管塔，一般有三管或者四管之分；使用焊接成型的截面为圆形或者多边形钢管为主要受力构件的单管塔，一般为插接或者法兰连接。

2. 按照受力性能分类：组成结构构件主要为角钢或者钢管的空间桁架结构；以单根钢管或者角钢作为主要受力构件的悬臂结构；以一系列缆绳牵拽中间塔体的桅杆结构。

3. 按照塔体的固定方式分类：自身与地基或者楼顶面连接的自立式；以缆绳牵拽的拉线式；以混凝土附着在建筑物顶部的附着式。

除此之外，还有专门针对建筑物的形状，专门设计的造型塔。集成了通信塔及美观的双重功能。以上分类都可以使用在建筑物顶部通信塔的建设上。

2.2目前建筑物顶部加建通信塔的问题

1. 建筑物的承重问题

在建筑物顶部建造或者加建通信塔时，首先要考虑建筑物的本体设计承重，部分老式建筑建造年代较长，设计时并未考虑在顶部加建通信塔等设备。

2. 加建通信塔的建筑在地震中产生的鞭梢效应

在地震中，尤其是层数较高的建筑，在加建通信塔之后会由于通信塔而产生鞭梢效应，对建筑物顶部的若干层的建构强度和通信塔与楼体之间的连接部分的强度产生比较大的负载，极易造成建筑物顶部的结构变形或者是塔体与建筑物连接结构的变形失效。

3. 加建通信塔的过程复杂、效率低、费用高

在建筑物顶部加建通信塔时，通常的步骤是通过电梯或者吊装机械将通信塔的零配件转运至建筑物顶部，然后在顶部进行施工操作。使通信塔的搭建工期增加，降低了效率。

如果建筑物高度满足在地面使用吊装设备辅助安装，通常租借吊装设备的周期相对较长，而且高层吊装设备的租借费用也较高。这给安装通信塔的单位带来了较高的费用。

4. 加建通信塔与建筑物的连接困难且复杂

目前楼顶加建通信塔现行常用做法有四种方式：

第一种为将楼顶的承重柱破开，在原结构中植入钢筋，可以分为直接植入螺杆基础或者是钢筋加长柱式基础两种，植入后重新浇筑。然后将塔体的承重连接结构或者缆绳连接到钢筋上，使塔体与建筑产生连接关系，适用于螺杆直径小于M27的情况。但是这种施工方式时间长，而且在重新浇筑楼顶结构时，需要在楼顶进行施工，这样的操作过程中经常会受到楼中业主的抗议，同时也影响楼顶层用户的使用感受。同时这种方法成本较高，在加建之后通信塔不能随便移动。

第二种为在屋顶框架柱上预埋螺栓，需要凿开原来的建筑支撑柱的混凝土保护层，找到支撑柱的主钢筋，与新加建的短柱钢筋进行焊接操作，然后重新浇筑。这种方式对楼顶面的破坏较大，极易发生漏水等情况，对楼体的安全产生影响。同时这种施工方式对于楼体的原结构的影响较大，施工时间也较长，相对于第一种方式缺点更多。

第三种为配重式基础，这种方式要求塔高不能超过20米，在塔体底部的四周放置配重块，通过主杆和斜拉的支撑杆底部的配重抵抗整体的倾覆趋势。这种方式对楼顶面没有任何的破坏。缺点是只能使用在小型通信塔的建造上，同时对于塔体上部在天线载荷也有一定的限制。在满足楼型单位面积承重的情况下使用。（见图4）

图4 图5

第四种为工字钢式基础，这种方式一般是在楼顶面使用工字钢，槽钢等材质制作底座结构放置在楼顶面上，然后将加建的通信塔安装在底座上部。工字钢底座可以在楼顶与楼顶面或者女墙进行连接。这种方式适合用在高度小于20米的多边形塔上。（如图5）

2.3建筑物顶部模块化通信塔的设计意义

如果能将在楼顶部加建的通信塔设计成为已经预制好的模块。通过搬运，到楼顶进行较为快捷的组装。在一定程度上能够提高建设的效率。也同时能降低很多费用。而将通信塔模块化之后，还能够针对建筑物顶部的不同环境，产生不同的组合效果，使得产品设计的流程更加简洁高效，这样也降低了设计的成本。通信塔在安装时如果将通信塔的底座部分也做成模块化，将减少在楼顶施工的时间，降低对楼顶附近的用户的影响。因此，将建筑物顶部加建的通信塔进行模块化设计，意义十分重要。

3.建筑物顶部模块化通信塔解决方案及设计

3.1解决方案的解决目标

针对前述现实情况，我们将模块化思想引入建筑物顶部通信塔设计中来，主要解决如下的问题：

1. 在楼顶加建通信塔的施工时，由于需要在破拆主体结构支撑柱之后，植入钢筋或者螺栓，然后在进行重新浇筑，时间相对较长，尤其是在天气状况不理想如温度低等情况下，可能需要更长时间。

2. 在加建通信塔时，通常使用的方法都是将零配件搬运到楼顶之后进行现场搭接，需要搬运的零配件非常多，对于现场管理要求比较高。容易出现安装错误等问题。

3. 在塔体可以进行吊装的情况下，租赁吊装机械的费用较高，同时很多大型组件必须借助大型吊装设备才能安装，这样就提高了安装的整体费用。

4. 加建之后的通信塔经过一段时间使用之后，难免出现一些损坏或者被锈蚀，单独设计加工的配件一般没有准备替换备件，同时整体设计的塔体在拆卸、重装的过程也比较繁杂，给施工带来了困难，也提高了维修维护的费用。

3.2解决方案的设计

通过使用模块化的设计思想，将通信塔分为两个部分来进行模块化设计，塔体部分和底座部分。

1. 塔体部分模块化设计

由于在地面建设的模块化塔体结构已经有很多种不同的模式，但是在楼顶建设的通信塔目前并没有模块化方案。我们可以将在地面建设的模块化通信塔方案进行优化和改造，找到适合在楼顶建设的方案。

目前常见的模块化通信塔的模块结构一般是使用长方体的框架结构，即交叉腹杆式，横截面的横隔采用交叉式。

由于在楼顶安装空间的限制，同时在建筑物顶部的通信塔的高度一般在6-12米左右，所以我们将每个模块的尺寸设计为高度为2.5m，截面尺寸为0.5m×0.5m的正方形截面。这样通过横向连接和纵向连接可以组合成适合不同楼顶建造环境的通信塔。对于塔体高度较高的可以采用很多种方案来满足建设要求。综合底座的需求，形成最终方案。

2. 底座部分的模块化设计

目前的塔体建设中，对于底座的要求主要就是在楼顶承载力满足要求的情况下与楼顶面的连接，同时在塔体较高的情况下，通过何种方式防止塔尖部在风载或者地震载荷时产生比较大的位置偏移。

这样的要求下如果我们将底座模块化，将底座设计成可以组合在一起的不同的部分，那么就能在不同的楼顶承载力情况下搭配出适合的重量要求，或者是搭配出不同的与地面的连接部分。鉴于在破拆楼顶支撑柱以及使用工字钢拼接成底座的情况下，底座的设计要求并不高。我们主要设计在塔体高度低于20米的情况下，使用配重的方式满足塔体的底座需求。

将塔体底座的水泥配重设计成模块化，每类模块有不同的使用特点，相同或者不同类模块之间可以通过螺栓等进行连接。类似于塔体的单元式结构。设计后的形式（如图9）。

图9 单管塔配模块底座 图10 简易塔配模块底座

同时在一些不需要太大的配重的情况下，设计一种提前将角钢浇筑进水泥中的模块。这样可以在需要水泥块配重与塔体进行连接时，不需要现场进行浇筑，直接使用模块即可。（如图10）

3. 综合应用价值

通过设计的模块化的塔体和底座，我们就可以针对客户的需要和建设位置的实际环境，搭配出不同形式的最适合的通信塔。（如图11）

4.总结

本课题主要根据目前国家对铁塔建设行业的要求，以及通过对目前铁塔建设行业在铁塔建设过程中的问题进行分析，发现塔体构建制造在标准化、质量控制、扩容加固和使用年限几个方面存在很多较难解决的问题。本课题采用模块化形式的塔体结构和底座结构，使用模块搭接的方法建设建筑物顶部的通信塔系统，经过根据建筑物顶部的建造位置情况将底座模块相互搭接，行程最优化的通信塔建造基础，然后将模块化的塔体结构进行快速安装，可以快捷的完成塔体结构的建设。

图11 使用模块化塔体和底座的楼顶塔

参考文献：

• [1]陈思颖.模块化设计在铁塔领域的应用[J].电信技术,2018(09):68-70.

• [2]何玉峰. 模块组合式通信铁塔的设计[D].北京邮电大学,2019.

• [3]刘和友.既有建筑物楼顶通信塔设计[J].电信工程技术与标准化,2004(11):49-52.

• [4]王元德,刘爱文.框架结构楼顶通信塔的地震响应分析[J].震灾防御技术,2016,11(03):552-560.

• [5]王元德,刘爱文.框架结构楼顶通信塔鞭梢效应的有限元分析[J].国际地震动态,2015(09):176.

• [6]司坤.超高层钢结构屋顶信号塔施工技术[J].住宅与房地产,2017(09):240-241.

• [7]唐甜甜.高层建筑屋顶钢塔的鞭梢效应研究[J].山西建筑,2015,41(15):30-31.

• [8]余长霞,王社良,胡昕.通信塔—楼组合结构的研究现状及展望[J].四川建筑,2009,29(04):168-169.

• [9]张华忠.已有建筑物顶部加建通信铁塔的分析与设计[J].广东土木与建筑,2008(06):15-17.

• [10]凌育洪,韦宏,马宏伟.高层建筑屋顶钢塔的受力分析与设计应用[J].广东土木与建筑,2005(02):27-28+11.

• [11]辛振科.双角钢T形组合截面压弯构件受力性能及设计方法研究[D].西安理工大学,2021.

• [12]薛发,李子华.高层建筑后加铁塔的性能研究[J].特种结构,1998(03):56-59+61.

课题名称：建筑顶部模块化通信塔架系统

“河北省高等学校科学技术研究项目资助”

项目编号：QN2018331