The Smile to radosna, pełna wdzięku instalacja, ale już na pierwszy rzut oka widać, że jej budowa wymagała dużego wkładu inżynieryjnej pracy i umiejętności. 

Poziom skomplikowania tej pracy może nie być oczywisty dla wszystkich odwiedzających, ale Andrew Lawrence, światowy specjalista od drewna w firmie Arup, ma tego świadomość. „To jak dotąd najbardziej złożona konstrukcja z paneli CLT, jaka została zbudowana” – powiedział. Kto jak kto, ale on z pewnością powinien to wiedzieć.

Lawrence pracował przy najbardziej skomplikowanych projektach w drewnie, realizowanych przez Arup, w tym przy osiemnastopiętrowej wieży z drewna klejonego i paneli CLT, aktualnie wystawianej w Amsterdamie, oraz przy największym drewnianym dachu w Wielkiej Brytanii, zaprojektowanym przez Foster and Partners nad stacją metra w dzielnicy Canary Wharf. Lawrence brał także udział we wcześniejszych projektach AHEC (Stowarzyszenie Handlowe Amerykańskiego Przemysłu Drewna Liściastego), takich jak Endless Stair, gdzie po raz pierwszy wykorzystano panele CLT z tulipanowca. Te realizacje wymagały nie tylko dużego doświadczenia inżynieryjnego, ale też starannego zbadania właściwości i zachowania materiału i zrobionych z niego elementów.

„Każdy element The Smile jest poddawany ogromnym obciążeniom” – powiedział Lawrence – „Nie tylko konstrukcja jest wygięta z obydwu stron, ale też główne wejście jest położone dokładnie na jej środku, tam, gdzie naprężenia są największe. Rozwiązanie tych problemów było bardzo istotne w aspekcie nie tylko tego projektu, ale też przyszłych budynków z paneli CLT.

„Chociaż wygląda jak rzeźba” – stwierdził Lawrence – „w rzeczywistości to dwudziestometrowy wspornik, przypominający rdzeń, którym stabilizujemy budowle. Ciężar 60 osób na jednym końcu wspornika jest równoważny z naporem wiatru na pięciopiętrowy budynek. Nikt wcześniej nie wykonał tak wąskiego rdzenia z drewna.”

Ishan Abeysekera, inżynier odpowiedzialny w firmie Arup za szczegółowy projekt The Smile, wyjaśnia: „Przeczytaliśmy każdą pracę na temat paneli CLT, ale wiele aspektów tego projektu jest tak skomplikowanych, że nikt wcześniej nawet ich nie rozważał.”

„Tulipanowiec jest rzeczywiście doskonałym wyborem.” – uważa Lawrence – „Drewno o większej gęstości jest mocniejsze, ale gdy gęstość jest zbyt duża, proces suszenia komorowego staje się niezwykle kosztowny, a poza tym trudno mocować w nim wkręty.” Zaletą tulipanowca jest to, że jego gęstość jest niewiele wyższa niż drewna iglastego, natomiast jest ono o wiele bardziej wytrzymałe. Tulipanowce w lasach amerykańskich rosną niemal dwa razy szybciej niż drzewa iglaste w Skandynawii.

Drewno iglaste zawsze będzie podstawowym budulcem w konstrukcjach drewnianych, ale Lawrence uważa, że tam, gdzie potrzebna jest większa wytrzymałość albo walory wizualne, panele CLT z tulipanowca mają duży potencjał. To dobry moment dla tego gatunku. „Za wzrostem zapotrzebowania na konstrukcje z drewna, poza argumentem zrównoważonego rozwoju, stoją głównie trzy czynniki” – uważa Lawrence – „Maszyny CNC, technologia klejenia drewna CLT i tanie, nowoczesne wkręty samogwintujące. Najciekawsze jest to, że projekt The Smile łączy w sobie wszystkie te trzy innowacje: konstrukcja w całości jest wykonana z paneli CLT, niemal wszystkie łączenia wykonano przy pomocy wkrętów samogwintujących, a cały proces produkcyjny odbywał się na maszynach CNC.”

Dzięki temu produkcja mogła być niewiarygodnie precyzyjna. Lawrence twierdzi, że The Smile składa się jak mebel z IKEI, tylko w znacznie większej skali. Przy cięciu CNC można osiągnąć dokładność z tolerancją 1 mm. „Jeśli chcesz mieć prefabrykaty, potrzebujesz czegoś lekkiego i mocnego zarazem, co łatwo poddaje się obróbce i jest łatwe do łączenia.” – mówi Lawrence.

Pierwszym zadaniem Lawrence’a było zbadanie właściwości tulipanowca, który miał być użyty w projekcie. Był to niezbędny etap ze względu na to, jak dużym obciążeniom poddawany jest materiał. Wytrzymałość paneli CLT obliczono na podstawie przeprowadzonych 15 lat temu testów 100 pełnowymiarowych desek z tulipanowca. We wszystkich strefach poddanych dużym naprężeniom wielkość sęków może wynosić maksymalnie 25 mm. Słabsze deski z większymi sękami są wklejone w środek panelu CLT, gdzie nie muszą tak intensywnie pracować.

Projekt musiał uwzględnić kilka bardzo trudnych okoliczności. Kształt instalacji narzucił taki rozkład obciążeń, że największe rozciąganie występuje nad wejściem, a największe ściskanie w podłodze pod drzwiami. Poza ustawieniem drzwi, problemem było też posadowienie The Smile na drewnianej podstawie. Jest ona częściowo schowana w podłożu, aby była możliwie mało widoczna. Z tego samego powodu jej rozmiar jest tak mały, jak tylko się dało, aby utrzymać konstrukcję w stabilnym położeniu bez ryzyka, że przewróci się, podnosząc obciążoną stalowymi ciężarkami podstawę.

Innym czynnikiem, który należało wziąć pod uwagę, było zachowanie zwiedzających. Założono, że wewnątrz konstrukcji może jednocześnie przebywać nie więcej niż sześćdziesiąt osób. Ale projektanci musieli uwzględnić fakt, że wszyscy mogą w tym samym czasie znaleźć się na jednym końcu konstrukcji. To całkiem prawdopodobna wizja, jeśli wyobrazimy sobie grupowe zdjęcie uczestniczek wieczoru panieńskiego, albo drużyny rugby. Inne ryzyko, które należało uwzględnić w projekcie, to potencjalne ryzyko przewrócenia się The Smile na bok, kiedy wszyscy zwiedzający staną pod tą samą ścianą.

Jakby nie wystarczyło problemów z czynnikiem ludzkim, należało też wziąć pod uwagę wiatr. Struktura musiała być na tyle mocna, żeby nie odkształcać się „w romb”. Ta tendencja występuje w elementach o kwadratowym przekroju, kiedy wiatr wieje z jednej strony z siłą równoważną 10 tonom. Aby więc ograniczyć możliwość odkształceń, pomiędzy dachem i ścianami zaplanowano sztywne połączenia.

Wszystkie łączenia wykonano przy użyciu wkrętów samogwintujących o długości około 400 mm, bardzo precyzyjnie umiejscowionych. W fabryce nawiercono  przy pomocy maszyn CNC otwory na wkręty o głębokości 40 mm, tak, aby mocować je dokładnie we właściwym kierunku. Było to też istotne ze względów estetycznych, żeby wkręty tworzyły równą linię.

Duże naprężenia konstrukcji oznaczały, że przypominające okna otwory w ścianach, które Alison Brooks początkowo zaplanowała w projekcie, muszą być niewielkie i w ograniczonej liczbie. Struktura zbyt intensywnie pracuje, żeby można było dodać ich więcej. Otwory są ułożone w kierunku włókien drewna.

Kolejnym wyzwaniem był po prostu rozmiar elementów. Płyty CLT zazwyczaj są robione w dużych rozmiarach. W tym przypadku było to niezbędne, żeby uniknąć łączenia płyt na środku konstrukcji, gdzie naprężenia są największe. W rezultacie moduły mają wymiar 14 m na 4,5 m. Ponieważ nie mieszczą się na standardowej ciężarówce, można je transportować z Niemiec wyłącznie pomiędzy północą a szóstą rano.

Pomimo starannego planowania, projekt napotkał na całkiem nieoczekiwane przeszkody, na przykład odkrycie, że wieża starego więzienia Millbank leży tuż pod powierzchnią gruntu dokładnie w miejscu, gdzie zaplanowano fundamenty.

Po wszystkich trudnych pracach przygotowawczych sam montaż będzie stosunkowo prosty, przeprowadzony głównie przez wykwalifikowany zespół sześciu montażystów uzbrojonych we wkrętarki. Kiedy i ten etap się zakończy, Lawrence bez wątpienia odetchnie z ulgą. 

Zapytany, dlaczego tak lubi pracować z drewnem, powiedział: “To taka frajda, dopracowywanie tych wszystkich połączeń, a jeszcze większa, kiedy nadal widać je w gotowej konstrukcji. To sprawia, że struktury z drewna są tak interesujące”. Z pewnością można to powiedzieć o The Smile.