建筑顶部模块化通信塔架系统的分析与设计

摘要：为解决目前在建筑物顶部加建通信塔时费用高、工期长的问题，通过对已有建筑物顶部加建通信塔的结构的分析，阐述了此类结构在进行设计、施工时存在的问题和目前的解决方法，综述了目前此类结构的可行性方案、设计方法及原则。通过设计模块化的塔体和底座，使在建筑物顶部加建20m以下的通信塔的费用降低、施工时间缩短，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

中图分类号：TN929.5    文献标识码：A   文章编号：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建筑物頂部建设通信塔的必要性

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。

2建筑物顶部通信塔发展现状

在以往的建筑物顶部加建通信塔的过程中，通常都是使用外形为抛物线型或者锥型的通信塔。

这样的塔体在建造时，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。因建筑物的承载能力有限，还需考虑结构的重量以及与建筑物顶部的连接方式等。对于不同的建筑物顶部的空间以及预留的连接方式，影响顶部加建的通信塔的结构。

2.1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年陈思颖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年何玉峰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，高约55 m。该通信塔是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。

2.2建筑物顶部铁塔建设现状

2004年刘和友分析塔-房屋组合体的结构并合理设计通信塔的塔型及塔-房连接件的必要性。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[3]。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]。

3建筑物顶部模块化通信塔的意义

3.1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，分别为按制造材料分：角钢塔、多管塔、单管塔。按受力性能分：空间桁架结构、悬臂结构、桅杆结构。按塔体的固定方式分自立式、拉线式、附着式[6]。

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[7]。

3.2目前建筑物顶部加建通信塔的问题

3.2.1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。

3.2.2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[8]。

3.2.3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，通常的步骤是通過电梯或者吊装机械将通信塔的零配件转运至建筑物顶部进行施工操作。使工期增加，效率降低。

如果建筑物高度满足在地面使用吊装设备辅助安装，租借吊装设备的周期相对较长，高层吊装设备租借费用也较高。

3.2.4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4种方式。

第一，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，适用于螺杆小于M27的情况。这种施工方式时间长，需重新浇筑施工，影响使用者感受。成本高，通信塔建好后不能随便移动。

第二，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后重新浇筑。这种方式破坏较大，极易发生漏水等情况。同时这种方式对于楼体的原结构的影响较大，施工时间较长，相对于第一种方式缺点更多。

第三，配重式基础，这种方式要求塔高不能超过20m，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。

第四，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20m的多边形塔上。

3.3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塔体和底座设计为已经预制好的模块，搬运到楼顶进行组装。在一定程度上能够提高建设的效率，降低费用。模块化通信塔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，降低设计成本[9]。

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。

4建筑物顶部模块化通信塔解决方案及设计

4.1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。

4.2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。

4.2.1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6～12m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。

4.2.2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20m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。

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。具体情况见图1。

4.2.3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。具体情况见图2。

5结语

该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。该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。

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（9）：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]赫明勝，杨启志，赵晓琪.基于地震和风载复合作用下通信管塔的有限元分析[J].现代电子技术，2021，44（21）：11-16.

[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（3）：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（9）：176.

[6]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.

[7]张辉明，李晓亮，汲书强，等.某类型通信塔倒塌事故分析[J].建筑结构，2018，48（S2）：741-742.

[8]郎金权.单管通信塔底部连接节点受力性能研究[J].特种结构，2021，38（1）：31-35.

[9]中国铁塔宝鸡市分公司.通信塔架风险要素安全防护[J].通信企业管理，2020（12）：74-75.

基金项目：建筑物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）。

作者简介：刘浩（1985—），男，硕士，讲师，研究方向为机械工程。