佛罗伦萨圣母百花大教堂 Cathedral of Florence

佛罗伦萨大教堂 Cathedral of Florence
佛罗伦萨大教堂 Cathedral of Florence

佛罗伦萨大教堂始建于1294年,是意大利最后一批建造的大教堂之一。这个由Arnolfo di Cambio(1232-1300)设计的计划是不寻常的,它要求一个宽阔的中殿通向一个八角形、圆顶的后殿。该建筑的设计规范明确禁止外部扶壁,以免参考法国的大教堂,罗马混凝土工艺早已被遗忘,但市议会想要一个像罗马万神殿一样宽的圆顶。佛罗伦萨人暂时受到阻碍,但建设仍在继续。

最后,在1418年,一项竞赛被宣布,这是建筑史上最早的公开竞赛之一。布鲁内莱斯基赢得了胜利,他提出了一个巧妙的系统,通过这个系统,穹顶可以只使用有限的木制脚手架来建造。为了扭转侧向推力,Brunelleschi用人字形砖砌成弯曲的肋格结构,以确保粘合力;圆顶底部的一根大金属链,防止向外膨胀。这个解决方案在最初的施工阶段不需要支撑结构,因为穹顶的每一个垂直延伸,在它被建造的时候,以及当它螺旋靠近中心的时候,都会与下面的部分融合在一起。在最后阶段才建造了一个中心平台,但它是从部分完成的穹顶上悬挂下来的。圆顶末端有一个直径约7米的孔眼,顶部有一个比普通灯笼更重的灯笼(建于1446年),它的重量保证了肋骨处于压缩状态。巧妙的设计不仅基于穹顶的建造方式,还基于双层穹顶的组合,减轻了重量;灯笼增加了穹顶的压迫感,有助于连贯性;以及底部的链条,它可以抵御侧向力。

双壳穹顶建筑在伊斯兰世界有着悠久的历史,例如伊朗索尔塔尼亚市的奥尔贾图陵(1302-12)。虽然这样的例子可能没有提供直接的先例,但很明显,这个概念当时在欧亚大陆流行。双壳穹顶在后来的建筑中占主导地位,出现了无数的变化,比如印度莫卧儿王朝的陵墓。

佛罗伦萨大教堂 Cathedral of Florence
佛罗伦萨大教堂 Cathedral of Florence

拱顶的建造

双层穹顶

双层穹顶由通过经线的拱肋来连接较厚的八角形内壳及较薄的外壳所组成,如此可以让内穹顶不受气候影响,而穹顶外观看起来更为壮观。双层穹顶加强了整体结构的抗力,同时可以沿着二者之间蜿蜒设置的阶梯及平台进行检测工作。

内穹顶底部厚度178,顶部则为127;外穹顶底部厚度63,顶部为7。两者都是八面椎体朝穹顶中和轴方向向内弯曲,但沿高度方向自底到顶面的每个水平剖面都是直线。

《建筑生与灭: 建筑物如何站起来》
圣母百花大教堂穹顶的拱肋
图源《建筑生与灭: 建筑物如何站起来》

拱助与箍环

在八面体的每个平面上,两个角拱肋之间还有两个更小的拱助。角拱肋宽350,中间小拱肋宽200,但两者都有足够的高度以将内外层穹顶连接起来。当拱肋由八边形底面延伸至顶端时,其高度随着递减但宽度不变。顶端的八角形像是全部24个拱肋的共同拱心石,同时还支撑了用空心大理石建造的塔楼。

穹顶最重要的结构是它的环箍──外表面用铁链加固的六个砂岩制水平环箍,可以防止穹顶在纬线方向上因巨大的拉力引起的开裂。以万神殿来说,它的强度来自自身厚重砌体的重量,而由两个相对较薄、较轻的穹顶组成的百花大教堂穹顶则依靠石材和铁材制成的环箍的强度以免施工时坍塌。

九个间距一致的水平拱将角肋之间较小的两个拱肋连接在一起,同时这些水平拱和外穹顶在小拱肋之间的部分组成了九个水平的同心圆图。内穹顶部分,厚到可以在里面整个形成一个相当厚重的圆环。因此穹顶虽然是八角形,但内部实际上是由一些圆环组成,因而在结构上它是以圆形穹顶的方式作用着!布鲁涅列斯基由万神殿以及其他的罗马穹顶得知,圆形穹顶可以在建造期间一直保持稳定,因为最上层已完成的环箍像那些经线拱圈的拱心石一样起支撑作用,防止它们向内倒塌。

《建筑生与灭: 建筑物如何站起来》
圣母百花大教堂穹顶的拱肋与箍环
图源《建筑生与灭: 建筑物如何站起来》

施工细节

施工时最上层的环箍不能同时完成。而只要最上层的环箍未完成并敞口就无法支撑所有经线拱。对此难题,布鲁涅列斯基采用一个简单的方法:将最上层仍在施工的未完成的环箍连接到较低的已完成的环箍上,他只不过把最上层环箍的砖平铺在早先已建好的环箍上,但同时又以每3 英尺的间距将砖垂直砌入。这些垂直的砖块沿着穹顶表面形成螺旋形曲线,同时让上部的立砖和其下三层平砖结合在一起,砌体中形成人字形的图案图。由于此种砌砖方式所需的沙浆凝结时间比砌完一整层砖的时间要短,尚在施工中的未完成的砖层仍可因其下三层砖而固定住,因此也可以承受靠在其上的经线拱的内推力。布鲁涅列斯基也了解为使这个砖砌体如同连续的混凝土穹顶一样发挥作用,这些砖块就不可以水平向而是要以与穹顶表面呈直角的方式砌筑,也就是随着穹顶高度增加而向内倾。直立砖块形成的人字形螺旋纹还有另一项功用:使平砖层和已凝结的砌体啮合住以防止平砖层在倾斜面上滑动。

《建筑生与灭: 建筑物如何站起来》
人字形图案的砌体
《建筑生与灭: 建筑物如何站起来》

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