The famous cupola celebrated 600 years. Photo: © Evgeniya Telennaya | Dreamstime.com
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Imagine 37 thousand tons above your head, 116 meters towards the sky, your eyes lost in admiration of the 700 figures in  the  3.600 square meters of Vasari and Zuccari’s Last Judgement.  A lantern brushes up against the sky, while your feet feel as if they were avidly climbing invisible steps, so much is the desire to touch that marvel, which seems to defy all laws of gravity. Experts say it’s made up of more than 4 million bricks, all from the kilns that once stood where the Museo dell’Opera del Duomo is today. But their immense weight disappears while admiring one of Italy’s most famous skylines.We’re in Florence and what stands above you is an extraordinary architectural miracle, something only a fool or a genius — you may think —  could conceive, an incredible, clever work that came into being in only 14 years,  6 centuries ago exactly. 

It was August 1420 when Filippo Brunelleschi undertook a project destined to write the history of architecture, to become the symbol of the Renaissance, to celebrate the rise to power of the Medicis, to embody a golden age of art and beauty: building a dome for the Cathedral of Santa Maria del Fiore. Something no human eye had ever seen before. 

Florence’s Duomo with Brunelleschi’s dome. Photo: © Wieslaw Jarek | Dreamstime.com

A dome that is not only beautiful, innovative and enormous in size,  but that retains, still today, the primacy of being the largest brick cupola ever built on Earth. Not a cupola but the cupola, the model for all others to come, first of all that of St. Peter in the Vatican,  based on a design by Michelangelo. The point is not only that such a large dome had never been built since the times of the Roman Pantheon (1st century AD), but also that traditional techniques seemed fully inadequate for a project of  that height and width. It was unthinkable to build a wooden scaffolding more than ninety meters high and then what kind of wood could,  even temporarily,  support such a large roof?

Brunelleschi’s revolutionary idea had a name: freestanding. The cupola was built without using the traditional wood supporting structure known in Italian as “centine.” Instead, two ogival-shaped stone and brick calottes are connected to each other over a diameter of 45.5 meters, unloading weight and self-supporting each other. How? Through a double vault with a hollow space (an internal shell more than  wo meters thick,  and an external one with a different curvature and a thickness that decreases as it rises upwards) and a “herringbone” structure  used to arrange the internal vault’s support bricks: vertical bricks are placed at regular distance on the horizontal ones to bear their weight. Brunelleschi understood that,  if the walls of all the eight curving segments of the cupola started at the same level, the whole structure would be supported and couldn’t collapse. 

Brunelleschi’s cupola is a masterpiece of architecture. Photo: Friziofriziofrizio/Dreamstme

It was a full-blown challenge, an undertaking deemed impossible. Until then, all projects to complete the  church  designed by Arnolfo di  Cambio at the end of the 13th century had failed. Florence had  been  waiting for someone able  to finish its cathedral for 120 years. Works on the construction of the wonderful church that stands at the heart of Florence had begun in 1296, but  stopped at its octagonal drum. The architectural techniques of the time were inadequate to bring such a project to an end. Too high, too wide, too heavy: being able to voltare la cupola, building the cupola,  was like solving the enigma of the Sphinx.

To win the competition, Brunelleschi built a model more than 2 meters wide and 4 meters high. He used 49 carts full of limestone and more than 5000 bricks. Before getting to work, he  studied the ruins of the ancient imperial city of Rome: from the Pantheon (with its dome resting on an internal diameter of 43.44 meters), to the Baths of Trajan and  the temple of Minerva Medica. The intuition came from the Pantheon: to stand up, a dome must be hemispherical. How could he do the same in Florence,  given that dimensions, materials and techniques did not allow such a solution?

First of all, Brunelleschi “emptied out” the cupola: with two calottes only, the structure became lighter (a “full” cupola would have been excessively heavy). Then, he rested the external “protective” dome on an internal “load-bearing” dome with a thickness that could accommodate circular rings inside, which  acted like circles around a barrel. In other words, Brunelleschi built a hemispherical dome within the walls of the main dome. To this first intuition he added a formidable series of innovations and static calculations of vertical loads and horizontal thrusts, strength and traction of the material. The result is 600 years old and still holds many secrets that Brunelleschi never noted on paper. 

The cathedral was consecrated in March 1436,  with the solemn blessing of Pope Eugene IV. Five months later, the outside of the  cupola was completed.  On 31 August the bishop of Fiesole climbed to the top of  it and blessed the work by laying its last stone. The banquet of celebration took place with the bells of all Florentine churches ringing in unison. The masterpiece was ready to put on a show for centuries to come.

Tourists around the Duomo. Photo: © Wieslaw Jarek | Dreamstime.com

The brilliant Florentine architect built his creation on a pre-existing octagonal support, a drum placed 54 meters above the ground, completed with about fifty huge beams inside 4 to 5 meter deep pontoon holes. On the beams, he laid planks to create a working platform suspended in the air. In the middle,  a crane to carry materials and workers to the top. In spite of skepticism, the cupola became a reality, little by little, under the eyes of all. Giorgio Vasari says that when Michelangelo left for Rome to work on St. Peter’s he said, while looking qt Santa Maria del Fiore’s cupola: “I’m going to Rome to create your sister:  bigger than you,  yes,  but never more beautiful.”

At the time, you’d build a dome by making a skeleton of wooden scaffolding, equal to the height and volume of the dome itself, on which a stone and brick vault was placed. But Brunelleschi went against the grain, believing in his extravagant, unprecedented ideas. And so did Cosimo the Elder, the first architect of the fortune of the Medicis. His main bet was precisely believing in that absurd project  discredited by all: when it finally towered over Florence, it consecrated the city to his family, a triumph for the powerful Tuscan family. It gave him fame and the trust of people. He inspired respect, he instilled a sense of power, he endowed Santa Maria del Fiore with a mighty symbol, something that made Florence itself great. The humanist and architect Leon Battista Alberti, in De Pictura (1434) wrote: “The structure is so large it rises above the sky, and so wide it covers all the people of Tuscany with its shadow.”

After all, though, the  cupola is a child of  its own times: it is the most worthy representative of an era filled with creative geniuses, from Brunelleschi, Ghiberti, Donatello and Masaccio to Verrocchio, Botticelli and Ghirlandaio,  up to Leonardo da Vinci, Michelangelo and Raffaello Sanzio. In the meantime, Florence, under Lorenzo the Magnificent, became the cradle of the Renaissance and Santa Maria del Fiore, with Giotto’s bell tower,  Brunelleschi’s dome and San Giovanni’s Baptistery, is the monumental symbol of it. 

The figure of the modern architect was born with Brunelleschi himself:  after him, architects are no longer just master builders, personally involved in all technical-operational processes, nor simple craftsmen working manually on the construction site directing all other workers, but gain a substantial role in designing their buildings, too, basing their projects on mathematics, geometry, engineering.

But what knowledge and which techniques come into play to generate a majestic work like this? Brunelleschi lived near the cathedral’s building site and, every day, he’d observe and study its machines,  its organization and  its complex construction processes. But he was also a goldsmith and watchmaker, accustomed to rigorous mechanisms and small dimensions.  He knew the logic of gears, he could apply the rules of levers and forces, he learned  the concepts of mechanics. He used experience but adapted it to circumstances: not only did he manage 300 workers and the entire  Santa Maria del Fiore’s construction site with absolute determination and control — legends say —but he invented the machinery he needed. Like the cranes necessary to carry all those bricks up to the sky, where they would resist gravity but also wind, earthquakes, lightning, time.

To get an idea of what building the dome meant, let’s go back to those 37 thousand tons that dominate the landscape of Florence:  just think that blocks of sandstone weighing about 770 kg had to be transported over 50 meters high and that the building site’s winch lifted marble, bricks, stones and mortar for 12 years and  an incredible total weight of 30 million kg.

One of the longest, strongest and heaviest ropes ever made was used on the site: 182 meters long and 450 kg in weight. But the winch itself is a gem: Brunelleschi invented one of the most famous machines of the Renaissance. It was operated by oxen always turning in the same direction,  while the winch’s could change thanks to a helical thread worm screw device. Depending  on the  directions it moved on itself, it raised or lowered the rotor of many centimeters. In practice, a single ox could lift a weight of 450 kg to a height of 60 meters in 30 minutes.

These inventions were to be studied  by Brunelleschi’s successors, first of all by a very young Leonardo da Vinci. Building solutions that seem to keep pace with contemporary safety regulations: from anti-vertigo scaffolding to scaffolding with walls to prevent workers and material from falling.

But, in all this engineering,  there are also harmony, beauty, art.

Brunelleschi showed great intuition when building his cupola. Photo: © Evgeniya Telennaya | Dreamstime.com

The inventor of the single vanishing point perspective, the most typical and characterizing element in the artistic representations of the Renaissance, applied the classical rule of golden proportions to the dome, as was the custom at the time. The sensation you get when observing it is of great balance and harmony. The Florentine architect chose a sixth acute shape, “more magnificent and creating width” and a division into eight segments. The external dome didn’t only guarantee greater protection from humidity and bad weather, but could take on the aesthetic characteristics that the Opera di Santa Maria del Duomo expected: that is, it could be beautiful, regardless of structural needs.

So it was covered with red tiles, divided by eight white ribs. A simple chromatic effect that, at the same time, slims the imposing structure, giving the illusion of a light skeleton which, while not having a load-bearing function, makes each segment look like a stretched sail. Just like an open umbrella, its geometric pattern gives three-dimensionality to an element that becomes very recognizable in the landscape. It transforms the cupola  into a visual point of reference, visible up to 70 km away, making it a source of pride and joy for the people,  and especially for the rulers,  of Florence. The clearest sign of their strength and the political importance of the city.

Up in the sky, on the highest point of the cupola, stands a lantern completed in 1461 on a model designed by Brunelleschi but made after his death (15 April 1446), and also a golden ball with the Cross by Andrea del Verrocchio. On April 5, 1492, lightning damaged the lantern. The event is read as an omen of the death of Lorenzo the Magnificent, which was to happen 3 days later, marking the end of a true golden era in history. But on that year,  the beginning of a New World had already taken place. 

Immaginate di avere sopra di voi 37mila tonnellate. Gli occhi salgono pieni di ammirazione a 116 metri di altezza fra le 700 figure del grande affresco che su oltre 3.600 mq raffigura Il Giudizio Universale di Giorgio Vasari e Federico Zuccari. Una lanterna sfiora il cielo mentre i vostri piedi sembrano scalare avidi gradini invisibili per la voglia di toccare con mano quella sfida alla legge di gravità. Si calcola che sia composta da più di 4 milioni di mattoni cotti nelle fornaci dove oggi sorge il Museo dell’Opera del Duomo ma il loro imponente peso sembra dissolversi mentre ammirate uno degli skyline più famosi d’Italia. Siamo a Firenze e sopra di voi c’è uno straordinario miracolo di architettura che vi farebbe dire, a ragione, che chi l’ha pensato e poi ha avuto l’ardire di dare forma al quel sogno folle, era un pazzo o un genio. Anche perché quell’incredibile e ingegnosa opera si è materializzata in appena 14 anni, esattamente 600 anni fa.
Era l’agosto del 1420 quando Filippo Brunelleschi iniziava un’impresa destinata a scrivere la storia dell’architettura, a diventare il simbolo del Rinascimento, a celebrare l’ascesa al potere de I Medici, a firmare l’età d’oro dell’arte e della bellezza: costruire per la Cattedrale di Santa Maria del Fiore una cupola mai vista prima.
Non solo bellissima, innovativa e gigantesca ma capace di conservare ancora oggi il primato della più grande volta in laterizio mai costruita sulla Terra. Non una cupola ma la cupola, il modello per tutte le altre a venire, prima fra tutte quella di San Pietro in Vaticano su progetto di Michelangelo.
Il punto è che non solo una cupola così grande non era mai stata realizzata dai tempi del Pantheon romano (I sec d.C.) ma le tecniche tradizionali sembravano improponibili per l’altezza e la vastità dello spazio da coprire. Era impensabile costruire un ponteggio di legno alto più di novanta metri e poi, quale legno avrebbe potuto sorreggere anche solo provvisoriamente una copertura così ampia?
L’idea rivoluzionaria sta in una parola: autoportante. La cupola fu costruita senza utilizzare le centine, le classiche armature interne in legno. Due calotte di forma ogivale, in pietra e mattoni, tra loro collegate su un diametro di 45,5 metri scaricano il peso e si autosostengono. Come? Attraverso una doppia volta con intercapedine (una calotta interna spessa oltre due metri ed una esterna con curvatura differente e uno spessore che diminuisce man mano che sale verso l’alto) e una trama a “spina di pesce” usata per disporre i mattoni portanti della volta interna: su quelli disposti orizzontalmente s’inseriscono, a intervalli regolari, mattoni disposti verticalmente a fare da sostegno. Brunelleschi intuisce che se le mura degli otto spicchi ricurvi che compongono la cupola partono tutti allo stesso livello, l’intera struttura sta su e non crolla.
Ma la sua è una sfida in piena regola, un’impresa ritenuta impossibile. Fino ad allora tutti i progetti avevano fallito e da oltre 120 anni si aspettava che qualcuno trovasse il modo di concludere la chiesa progettata da Arnolfo di Cambio sul finire del XIII secolo. Iniziati nel 1296, i lavori della meravigliosa chiesa che campeggia nel cuore di Firenze, si erano fermati al livello del tamburo ottagonale. Inadeguate le tecniche del tempo. Troppo alta, troppo ampia, troppo pesante: riuscire a “voltare la cupola” era come risolvere l’enigma della Sfinge.
Per vincere il concorso, Brunelleschi propose un modello largo più di 2 metri e alto 4. Usò 49 carri pieni di calce e più di 5000 mattoni. Ci arrivò dopo aver studiato le rovine dell’antica città imperiale di Roma: dal Pantheon (con la sua cupola che poggia su 43,44 metri di diametro interno), le terme di Traiano, il tempio di Minerva Medica. Proprio dal Pantheon arriva l’intuizione: per stare in piedi una cupola deve essere semisferica. Come fare altrettanto a Firenze visto che le dimensioni, i materiali, le tecniche non permettevano una simile soluzione?
Brunelleschi, innanzitutto svuota la cupola: con due calotte, la struttura si alleggerisce (una cupola “piena” sarebbe stata eccessivamente pesante), poi appoggia la cupola esterna “protettiva” su una cupola interna “portante” dando a questa uno spessore tale da accogliere al suo interno anelli circolari che fanno come i cerchi attorno a una botte. Detto altrimenti, Brunelleschi ricostruisce, all’interno della massa muraria, una cupola semisferica. A questa prima intuizione aggiunge una formidabile serie d’innovazioni e calcoli statici di carichi verticali e spinte orizzontali, tensioni delle otto vele, resistenza e trazione del materiale. Il risultato ha 600 anni e ancora moltissimi segreti, che Brunelleschi non ha messo su carta.
La cattedrale viene consacrata nel marzo del 1436 con la solenne benedizione di papa Eugenio IV. Cinque mesi dopo finiscono i lavori esterni della cupola. Il 31 agosto il vescovo di Fiesole sale in cima alla volta e benedice l’opera posando l’ultima pietra. Il banchetto di celebrazione si svolse con tutte le campane delle chiese fiorentine che suonavano a festa. Il capolavoro era pronto a dare spettacolo per i secoli a venire.
Il geniale architetto fiorentino posa la sua creazione sopra il supporto ottagonale preesistente, un tamburo collocato a 54 metri dal suolo: colloca una cinquantina di enormi travi dentro le buche pontaie profonde 4-5 metri. Sulle travi colloca assi che creano una piattaforma di lavoro sospesa nel vuoto. In mezzo opera una gru che porta in quota materiali e operai. La cupola, a dispetto degli scettici, prende forma e stupisce tutti. Giorgio Vasari racconta che quando Michelangelo partì per andare a progettare San Pietro disse rivolgendosi alla cupola di Santa Maria del Fiore: “Vado a Roma a far la tua sorella, di te più grande sì ma non più bella”.
A quel tempo una cupola si tirava su costruendo uno scheletro di ponteggi in legno, pari all’altezza e al volume della cupola, su cui si metteva un involucro di pietra e mattoni. Brunelleschi invece osa, crede nelle sue idee stravaganti, senza precedenti. E come lui fa Cosimo il Vecchio, primo artefice della fortuna della famiglia de I Medici. La sua grande scommessa fu proprio quella di credere in quel progetto assurdo e screditato da tutti perché quando alla fine svettò su Firenze, decise il trionfo della potente casata toscana. Gli regalò fama e la fiducia del popolo. Incutendo rispetto, infondendo un senso di potenza, aver dotato Santa Maria del Fiore di un simbolo potente, rendeva grande Firenze stessa. L’umanista e architetto Leon Battista Alberti, nel De Pictura (1434) scrisse: “Structura si grande, erta sopra e’ cieli, ampla da coprire chon sua ombra tutti e popoli toscani”.
Ma in fondo, è figlia del suo tempo: la cupola è la più degna rappresentante di un’epoca che fu piena di geni creativi come non mai. Si va da Brunelleschi, Ghiberti, Donatello e Masaccio a Verrocchio, Botticelli e Ghirlandaio fino a Leonardo da Vinci, Michelangelo e Raffaello Sanzio. Firenze nel frattempo, sotto Lorenzo il Magnifico, diventava la culla del Rinascimento e il grande complesso monumentale che al Campanile di Giotto affianca la Cupola su Santa Maria del Fiore e il Battistero di San Giovanni ne è l’evidenza monumentale.
Con Brunelleschi stesso nasce la figura dell’architetto moderno perché non è più solo capomastro, cioè personalmente coinvolto nei processi tecnico-operativi, l’artigiano che tiene bottega e lavora manualmente nel cantiere dirigendo gli operai, curando la forma stessa dei mattoni, ma ha un ruolo sostanziale in fase progettuale: basa i suoi progetti sulla matematica, la geometria, l’ingegneria.
Ma quali sono i saperi e le tecniche che entrano in gioco, che generano un’opera maestosa come questa? Brunelleschi abitava vicino al cantiere del duomo e di esso aveva ogni giorno studiato le macchine, l’organizzazione, i complessi processi costruttivi. Ma era anche orafo e orologiaio: incastri rigorosi e piccole dimensioni, conosceva la logica degli ingranaggi, applicava il meccanismo delle leve, delle forze, si era misurato con i concetti della meccanica. Usa l’esperienza ma la adatta alle circostanze: non solo gestisce 300 operai e il cantiere di S. Maria del Fiore, si racconta, con assoluta determinazione e controllo, ma inventa le macchine che gli servono. Come le gru per portare fin sotto il cielo i mattoni necessari e posizionarli con precisione maniacale, se è vero che dovevano resistere alla gravità ma anche al vento, ai terremoti, ai fulmini, al tempo.
Per avere un’idea di cosa ha significato costruire la cupola, e qui torniamo alle 37mila tonnellate che dominano il paesaggio di Firenze, basti pensare che bisognava trasportare a oltre 50 metri d’altezza blocchi di arenaria pesanti circa 770 kg e che l’argano del cantiere sollevò in dodici anni marmo, mattoni, pietre e malte per l’incredibile peso totale di 30 milioni di kg. Nel cantiere venne poi usata una delle funi più lunghe, resistenti e pesanti mai fabbricate: 182 metri di lunghezza e 450 kg di peso. Ma l’argano stesso è una chicca: Brunelleschi inventò una delle macchine più celebri del Rinascimento. Ad azionarlo erano buoi che giravano sempre nella stessa direzione, mentre il suo senso di marcia poteva cambiare grazie a un dispositivo a vite senza fine, con filettatura elicoidale. A seconda del senso dell’avvitamento, sollevava o abbassava il rotore di molti centimetri e in pratica, un solo bue poteva sollevare un peso di 450 kg, a una altezza di 60 metri, in 30 minuti.
Invenzioni che saranno studiate dai successori, prima fra tutti da un giovanissimo Leonardo da Vinci. Soluzioni cantieristiche che sembrano al passo delle normative contemporanee sulla sicurezza: dai ponteggi anti-vertigine alle impalcature con pareti per evitare le cadute di operai e materiale.
Ma in tutta questa ingegneria c’è anche armonia, bellezza, arte.
L’inventore della prospettiva a punto unico di fuga, l’elemento più tipico e caratterizzante nelle rappresentazioni artistiche del Rinascimento, applicò alla cupola la regola classica delle proporzioni auree, come si usava a quel tempo. La sensazione che si ha osservandola è di grande equilibrio e armonia. L’architetto fiorentino scelse una forma a sesto acuto, “più magnifica e gonfiante” e una divisione in otto spicchi. La cupola esterna, non solo garantiva una maggior protezione dall’umidità e dalle intemperie, ma poteva assumere le caratteristiche estetiche che l’Opera di Santa Maria del Duomo si aspettava: poteva cioè essere bella indipendentemente dalle esigenze strutturali.
Così venne ricoperta con tegole rosse inframmezzate da otto costoloni bianchi. Un semplice effetto cromatico che al contempo slancia l’imponente struttura e sembra comporre uno scheletro leggero che, pur non avendo funzione portante, fa apparire gli spicchi come coperti da vele tese. Un po’ come se fosse un ombrello aperto, usa uno schema geometrico che dà tridimensionalità a un elemento che nel paesaggio diventa riconoscibilissimo. Trasforma la cupola in un punto visivo di riferimento, visibile fino a 70 km di distanza, lo rende motivo di vanto e d’orgoglio per gli abitanti e soprattutto per i governanti di Firenze. Il segno più evidente della loro forza e dell’importanza politica della città.
Nel punto più alto, proprio a solleticare le nuvole, svettano la lanterna che fu completata nel 1461 su modello disegnato da Brunelleschi ma realizzato dopo la sua morte (15 aprile 1446) e una palla dorata con la Croce di Andrea del Verrocchio. Il 5 aprile 1492 un fulmine danneggia la lanterna. L’evento viene letto come presagio della morte di Lorenzo il Magnifico, che poi avverrà 3 giorni dopo chiudendo un’epoca aurea. Ma quell’anno segnava già l’inizio di un Nuovo Mondo.


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