移动通信基站铁塔与机房的设计优化.doc

移动通信基站铁塔与机房的设计优化摘 要 本文讨论移动通信基站铁塔和机房的设计要则，并提出设计优化的思路，旨在提高移动通信网络建设的投资效益。关键词 移动通信基站铁塔机房优化移动通信网络建设正以空前的规模和速度在全国范围内展开，提高工程质量，降低工程造价，加快工程进度，最大限度地提高投资效益始终是倍受关注的焦点。移动通信基站铁塔与机房的建设，面广量多，投资巨大，优化铁塔与机房的设计是提高工程投资效益的重要环节。本文仅讨论移动通信基站铁塔和机房建筑的一般设计要则和优化原则，不涉及铁塔及机房的结构计算等问题；尽管结构计算是设计优化的重要途径，但因其有规范可依，本文不再赘述。1 基站遗址的优化原则（1）满足通信网络规划要求；（2）场地平坦，附近无高大建筑物阻挡；（3）工程地质良好，避开断层、古河道及可能塌方、滑坡的地段；（4）选择安全的环境，避开易燃易爆的场所和粉尘及有害气体的污染源；（5）机场航道附近要注意铁塔限高；（6）远离各种无线干扰源；（7）避开低洼地，防止雨水淹灌；（8）尽量不选在中小学校院里，避免儿童攀援铁塔。2 基站铁塔与机房形式的选择基站是否需要建设铁塔，取决于移动通信天线的挂高；当基站所在的建筑物满足挂高要求时，可利用屋顶设置大线抱杆，无须建塔。基站铁塔因结构形式不同，可分为自立塔、拉线塔（桅杆）；基站铁塔因所建地点不同，有地面塔、屋顶塔之别。地面塔通常采用的塔型有角钢塔、钢管塔（四柱或三柱）、钢独管塔、拉线塔（桅杆）。角钢塔是最普遍的塔型，它制作安装简便，经济适用，应是铁塔建设的首选。钢管四柱（或三柱）塔因其根开可以做得很小（2m左右），适用于狭窄场地或距建筑物较近的情况，但造价高于角钢塔。独管塔多用于城市风景区或其它要求美观的场所，因为独管塔馈线引下和人员攀登都不方便。加之造价较高，仅用于特殊要求的环境。拉线塔的优点是用钢量小，但占地面积大，是否经济应综合考虑；另外拉线塔易受外力破坏，一旦拉线受损即造成倒塔；拉线塔受风力作用还会发生摆动和水平扭动，采用微波传输的基站慎用。屋顶塔一般采用角钢塔较多，塔的设置有两种情况，一是建筑物设计时已考虑了铁塔的荷载并设置了预埋件（如电信机房楼顶），二是在旧建筑物上加建铁塔。第二种情况要对原建筑进行验算，对结构进行改造，增设铁塔的锚固措施；铁塔的根开往往不等，塔高也受限制，还要认真修复因施工受到破坏的屋面防水层，设计时应格外慎重。当天线挂高比建筑屋面高出不多时（10m左右），可采用简易的屋面铁架方式，在建筑的梁（墙）处浇筑混凝土墩作为配重（计算混凝土重量足以抵抗铁架倾覆力），铁架固定于混凝土墩，可不必破坏屋面防水层，此方式造价低，施工简便。也可采用拉线方式固定屋面铁架，不做混凝土墩配重，但拉线的锚固点一定要慎重处理。基站机房有两种情况：新建机房、利旧机房（或祖用机房）。新建机房面积一般为20m2左右，市区容量大的机房可适当加大。按其与铁塔的相对位置可分为塔侧机房、塔下机房。塔下机房是将机房建在根开较大的铁塔下，因为与铁塔坐落在同一基础上，机房自重可平衡部分铁塔的倾覆力，铁塔基础可以做的较小，从而节省投资，另外还具有占地面积小、馈线较短、不需设置室外走线架等优点，应优先采用。在铁塔根开较小时，采用塔侧机房，缩小机房与铁塔间距有利于节省土地、缩短走线架和馈线长度，但机房基础应避免建在铁塔基坑的回填土上。利用旧机房或租用机房一般采用屋顶抱杆，屋顶铁架或屋顶塔安装天线，如建筑高度不够则需建地面塔，建塔时应注意铁塔基础开挖不能影响临近建筑的安全。租用机房一般为民用建筑，如楼面承载力不足，还要对原房屋进行加固。还有一种新建机房形式是夹心复合板房，采用成品夹心复合板（彩色镀锌钢板与聚苯乙烯制成）装配成基站机房，优点是工期短，缺点是寿命短（一般15年左右）。3 基站用地面积根据各地情况，基站一般采用征用或租用土地两种形式，以塔高5060m为例，用地范围大约为：角钢塔+塔下机房13m13m（若采用桩基础，10m10m即可满足）；角钢塔+塔侧机房13m18m；钢管四柱塔+塔侧机房7m16m。租用机房需建地面塔时，所需场地仅为铁塔基础（含基坑开挖放坡）占地：角钢塔13m13m，钢管四柱塔6m6m，独管塔5m5m。拉线塔用地为边长85m的等边三角形，用地很不经济。确定用地范围时应注意，铁塔一定要与附近建筑留出安全距离。4 新建基站机房的设计优化基站机房为无人值守机房，除满足设备安装外，还应满足防盗、防水、防潮、防震、防雷击等要求。（1）机房平面形式：机房一般为正方形或长方形平面，在面积相同的情况下，长方形平面更有利于基站设备的布置。当机房位于塔下时，要注意与铁塔的空间关系；（2）机房内净高一般为2.7m；室内外高差为0.3-045m，地势低洼时应适当提高；（3）机房间为外开防盗门，门洞宽1m，高2.1m，门上设雨蓬。机房馈线窗下沿距室内地面2.3m，馈线窗平面位置与基站通信设备机列的轴线对齐。除馈线窗外，机房不设其它窗户；（4）机房采用现浇钢筋混凝土屋盖，应做好保温和防水；（5）机房室内装饰作法为水泥砂浆墙面、水泥砂浆防潮地面，大棚可不做面层；墙面和天棚也可不刷涂料。机房外墙面可设计为：清水墙、水刷石、水泥砂浆抹面等，内外装饰一律从简；（6）基站机房采用能自动启闭的分体式商用空调，室外机可挂于外墙或置干屋顶。在通信设备机列前后的天棚上各设白帜灯一盏，用于机房照明。于不同的两面墙上各设1个单向电源插座，用于设备安装和维护。机房内设有接地铜排，与铁塔，机房综合接地系统连接；（7）有的基站设有远程控制系统，对基站的设备、电源、空调、消防、安保、门禁等实施远程监控；（8）基站机房的定位原则：机房的门宜朝南或朝向开阔地。塔下机房的馈线窗应与铁塔爬梯在同一侧。塔侧机房的馈线窗应面对铁塔的爬梯，机房与铁塔间距应尽量接近。5 利旧机房和租用机房的设计优化（1）利旧机房是在原有的通信机房内设置基站，楼面荷载大都能满足要求，应重点解决好馈线引入问题；（2）租用机房情况比较复杂，所租房屋大小不同、层高不同、结构各异、位置也千差万别；一般民用建筑的楼面荷载不能满足基站设备的要求，通常要采取加固措施。首先要对原有结构进行验算，加固设计要因地制宜。要想将祖用房屋的楼面承载能力加固到满足通信机房要求的6kN/m2是不现实的，且不说梁、板、柱的全面加固造价高、工期长、施工复杂，仅仅因机房相邻及楼下的房间系其它单位使用，也使加固施工难以进行。优化方案是在通信设备机列下进行局部加固，将设备用型钢支撑干房间两侧的梁或承重墙上，架空于楼板之上，因此不必对楼板进行加固。由于一般基站设备不大多，按照设备的实际荷载进行结构验算，大多数房屋的承重墙、梁、柱不必加固即能承载型钢传来的设备重量（如验算不能满足承载要求，应当采取加固措施）。此种加固方式造价低、工期短、施工简便；（3）利旧机房或租用机房采用上走线方式，不设架空地板，也无需做装饰装修；（4）租用机房一般要靠近外墙，便于馈线引入。有可能的诸，应封堵原有外窗，有利于保温、防晒、防尘、防水，房门应改为外开防盗门。6 室外走线架天线的馈线通过固定于爬梯的馈线支架，自铁塔上部垂直引下，再通过室外走线架水平引入基站机房。（1）上人走线架（桥架）：走线架距地面高度大于4m时采用，走线架宽500600mm，设计时应考虑馈线重量和两个人的工作荷载，并设高1.2m的护栏，将馈线固定在护栏上；（2）不上人走线架：走线架距地面高度小于4m时采用，宽度同上，工作人员使用梯子布线，馈线固定在走线架上，不必设护栏。单层基站机房应采用不上人走线架；（3）走线架两端分别固定在铁塔爬梯和机房外墙的支架上。外墙支架位于馈线窗下；为防止雨水流向机房，走线架以大于1的坡度向外倾斜；（4）走线架为型钢制作，型材规格通过计算确定；宜采用与铁塔同规格的型材，以便充分利用铁塔的下脚料；走线架采用热镀锌防腐；（5）走线架跨度不宜大大，当跨度大于8m时，宜增设钢支柱或从铁塔上加设斜拉线，以缩小走线架的跨度，达到节省钢材的目的；（6）利旧机房或租用机房的移动通信天线很多是设在屋顶上，因此要设置屋顶的水平走线架和沿外墙而下的竖向走线架。屋顶水平走线架一般架空于屋面或固定于女儿墙，路由尽量简短，以节省钢材和馈线。竖向走线架要考虑上人荷载，与梁或实心砖墙要有可靠锚固。因事关人身安全，竖向走线架不应锚固干轻质墙上。7 移动通信铁增（1）铁塔设计原则：满足大线及馈线安装的要求，便于操作维护；符合国家钢结构规范，保证结构安全，抗风、抗震、防锈、防雷；优化设计，合理选型，便于制作、安装，缩短施工周期，降低工程投资；（2）合理选择塔型：不同塔型的造价悬殊较大，合理选择塔型是节省投资的关键，以表1为例；塔型铁塔造价（万元）基础造价（万元）机房造价（万元）总造价（万元）占地面积（含新建机房占地）优点缺点角钢塔（塔下机房）7.92.91.912.7100m2(10m10m）造价低，结构合理，技术成熟，安全度高，适于爬梯、馈线安装占地稍大钢管四柱塔（塔侧机房）11.62.852.316.7560m2(10m6m）结构合理，技术成熟，适于爬梯、馈线安装，占地省造价较高钢独管塔（塔侧机房）16.95.52.324.760m2(10m6m）占地省造价高，不便于攀登和馈线引下拉线塔（塔侧机房）1.81.42.35.5851m2(23m37m）造价低占地面积大，安全度差a.优先选择角钢塔，角钢塔自重轻、造价低、结构合理、技术成熟、安全度高，被广泛采用；b.选择合理的铁塔根开，根开的大小影响钢材用量和基础造价，须经结构计算优化确定；c.采用角钢塔时优先选择塔下机房，造价低，占地少。（3）合理确定铁塔的荷载和高度：这也是降低造价的重要途径；a.风荷载：以国标建筑结构荷载规范中“全国基本风压图”确定基本风压值为设计依据，不要随意超规范加大安全储备，造成不必要的浪费；b.针对不同地区风压值（如山东沿海地区基本风压值为0.5-0.65kN/m2，内陆地区为0.35-0.45kN/m2），因地制宜，分别提供不同的铁塔设计，可以大幅度降低造价。切忌一套铁塔图纸打遍天下的不负责任的现象；c.微波天线的荷载：对于需要微波传输的基站，可以事先提出要求，有针对性地设计相应的铁塔。因多数移动通信基站采用光缆传输，可不考虑微波天线荷载，以免造成浪费；d.天线平台的数量：早期设计的铁塔多采用三层平台，后来改为两层或一层平台，事实上两层平台即能满足基站的远期发展需求，大多数位于农村地区的基站，一层平台即可。每减少一层平台，能节省7000元左右；e.铁塔高度：铁塔高度取决于移动通信天线的挂高，天线挂高和通信基站的密度、无线信号覆盖强度及地形地势有关，合理确定铁塔高度对降低造价意义很大。根据有关部门对GSM900无线信号场强测试的结果，在40m内天线高度的变化对无线信号覆盖影响较大，超过40m后，再增加大线挂高对无线信号覆盖影响不明显，因此在农村地区天线挂高为40m左右较合理；城区基站的天线挂高还要适当降低。（4）铁塔平台设计的优化：移动通信铁塔平台尺寸不需大大，最窄处便于人员通过，约600mm即可，活荷载也比微波塔平台小，建议2kN/m2较合理。以往平台多为零星构件高空组装，现场工作量大、工期较长，现在改进为整体装配式结构，预制成4块扇形平台，安装简便，施工快捷。平台钢板也改为钢板网，减轻了重量，减少了风阻。移动通信铁塔平台的栏杆高12m，因需悬挂大线抱杆，栏杆的扶手应与塔身水平拉接，以防止栏杆外倾；（5）铁塔安全设计：铁塔的防雷设计应严格执行移动通信基站防雷与接地设计规范。铁塔的防锈蚀采用热镀锌方式，施工现场不得打孔、焊接，以免破坏镀锌层。加强铁塔的防盗措施至关重要，螺栓或塔材的被盗可能引发倒塔事故，铁塔的最下一段塔身应采用防盗螺栓；地脚螺栓应焊防盗钢帽或浇筑混凝士保护层。铁塔的爬梯应设安全护圈。距地3m内不设爬梯，以防他人攀援。8 铁塔基础设计的优化铁塔基础设计中主要考虑的问题是如何使基础在满足抗倾覆、抗压及抗滑移（位于山坡地势）的前提下，使基础造价降到最低，且便于施工。（1）基础设计前，一定要做工程地质勘察，切不可盲目设计，以免酿成事故；（2）角钢塔基础的设计优化：独立基础是在角钢塔四脚分别做独立的基础，再以连系梁连接。因其施工简便，造价低廉，应作为首选方案。当地下水位较高或岩石埋藏较浅时，可考虑采用筏基，筏基的优化途径是改通常的实体筏基为箱式筏基，中部回填土或砂石代替混凝土做配重，可降低造价20左右。地下水位高或土质软弱时应选用桩基，桩基造价较高但安全可靠。岩石埋藏较浅时，也可将钢筋锚入岩石，结合做独立基础或筏基，可大大减少混凝土量，从而降低造价；（3）钢管四柱塔基础的设计优化：钢管四柱塔根开很小（2m左右），多用于场地狭小或临近建筑物的环境；一般采用混凝上墩式基础，基础面积不大，深度较大，靠混凝土自重和土壤侧压力、摩阻力来抵抗铁塔的倾覆力；缺点是混凝土用量较大，因开挖较深施工中容易塌方，或危及附近建筑的安全。优化设计改进为浅墩+人孔短桩的新型墩式基础，埋深2.5m以上是墩式基础，2.5m以下改为4棵直径1m的人工挖孔短柱，总深度略大于实心墩基；由于此种基础能充分地发挥土壤的力学作用，混凝土量大大减少，使基础造价减少30以上。独管塔基础也可采用此优化方案；（4）基础工程的不可预见因素设计文件提供的工程预算，是根据施工图和预算定额计算出来的，很难涵盖工程中实际发生的各种不可预见费用，由于每个工程所处的环境不同，遇到的不可预见因素也不尽相同，应严格控制；a.有的建设场地需做三通一平（通路、通电、通水及场地平整），必须投入一部分资金。还有的基站位于无路的山区，所有的建材及设备需要进行二次搬运，将产生二次搬运费；b.有的场地比较狭窄，挖出的土方无处堆放，发生土方外运及回运的费用。或因土质原因造成地基塌方增加了土方工程量；c.有的基站局部有影响施工的障碍物（如院墙、道路、地下管道等），在基础施工时只能将障碍物拆除，待基础施工完成后再予修复，此时就出现了拆除与重建的费用；d.有的基站需修建院墙及大门；e.因场地接地电阻过高，采取额外的降阻措施往往追加较大的费用；f.还有人为干扰造成的费用增加，如当地居民对工程的阻挠等。9 基站安全设计移动通信基站为无人值守机房，很多基站位于旷野，安全问题至关重要。许多不安全因素通过设计已经得到预防，如防震、防雷、防腐、防水等，唯有防盗措施难以周全，前述铁塔安全设计可使铁塔钢构件不