Đền Pantheon ở Rome, hoàn thành khoảng năm 125 dưới thời hoàng đế Hadrian, có mái vòm bê tông đường kính khoảng 43,3 mét, đến nay vẫn là mái vòm bê tông không cốt thép lớn nhất thế giới sau gần hai nghìn năm. Bí mật của nó nằm ở hình học và vật liệu: bên trong toà nhà vừa khít một quả cầu tưởng tượng (chiều cao tới đỉnh bằng đúng đường kính), vòm mỏng dần lên trên, dùng bê tông nhẹ dần, có các ô lõm khắc vào mặt trong và một lỗ tròn ở đỉnh không có mái che.
Bước vào Pantheon là bước vào một không gian hình học thuần khiết. Bài này giải thích hình khối của công trình, vì sao nó đứng vững, và những gì người xem có thể tự quan sát khi tới nơi.
Một quả cầu trong một hình trụ
Phần chính của Pantheon gồm hai khối hình học ghép lại:
- Một hình trụ (thân tường tròn) cao khoảng 21,7 mét, đường kính trong khoảng 43,3 mét.
- Một bán cầu (mái vòm) đặt lên trên, cao thêm khoảng 21,7 mét.
Tổng chiều cao từ sàn tới đỉnh vòm bằng đường kính. Nếu tưởng tượng một quả cầu đường kính 43,3 mét đặt trong không gian ấy, nửa trên của nó trùng với mặt trong mái vòm, còn điểm thấp nhất vừa chạm sàn. Kiến trúc sư thời Phục Hưng như Brunelleschi, Michelangelo, Palladio đều đến đây đo vẽ, và tỉ lệ hoàn hảo này trở thành hình mẫu cho các mái vòm châu Âu suốt nhiều thế kỷ.
Phía trước là một mái hiên có hàng cột kiểu Hy Lạp với dòng chữ khắc ghi tên Marcus Agrippa. Thực tế, Agrippa xây một ngôi đền đầu tiên ở đây khoảng năm 27 – 25 TCN; công trình hiện nay do Hadrian xây lại sau khi đền cũ cháy, nhưng giữ dòng chữ của Agrippa.
Vì sao mái vòm không sập
Mái vòm chịu lực chủ yếu bằng nén. Vật liệu như đá, bê tông chịu nén rất tốt nhưng chịu kéo kém. Vấn đề của mọi mái vòm là phần dưới có xu hướng bị đẩy toả ra ngoài, như một chiếc bát úp bị ép từ trên xuống. Người La Mã giải quyết bằng nhiều cách cùng lúc:
| Giải pháp | Tác dụng |
|---|---|
| Vòm dày ở chân, mỏng ở đỉnh | Chân vòm dày khoảng 6 mét, gần đỉnh chỉ khoảng 1,2 mét; giảm trọng lượng phía trên, nơi lực đẩy ngang gây hại nhiều |
| Bê tông nhẹ dần theo độ cao | Các lớp dưới trộn đá nặng (đá bazan, gạch vỡ), lớp trên trộn đá nhẹ như đá bọt núi lửa |
| Các ô lõm (coffers) | Năm hàng, mỗi hàng 28 ô lõm hình vuông thu nhỏ dần, bớt vật liệu mà không yếu kết cấu, đồng thời tạo hiệu ứng thị giác |
| Lỗ tròn ở đỉnh (oculus) | Đường kính khoảng 8,2 mét; bỏ phần nặng và khó làm nhất ở đỉnh, vành lỗ được gia cố như một vòng nén |
| Các bậc nhẫn quanh chân vòm bên ngoài | Tăng tải trọng ở chân vòm, giúp chống lực đẩy toả ra |
| Tường trụ dày khoảng 6 mét | Rỗng bên trong bằng các hốc và vòm giảm tải, nhẹ mà vững |
Bê tông La Mã còn có một đặc điểm đáng chú ý: dùng tro núi lửa vùng Pozzuoli (pozzolana) trộn với vôi. Các nghiên cứu gần đây cho thấy loại bê tông này có khả năng "tự lành" một phần vết nứt nhỏ nhờ các mảnh vôi nhỏ còn sót lại phản ứng với nước, góp phần giải thích độ bền phi thường của công trình.
Lỗ tròn trên đỉnh: chiếc đồng hồ mặt trời
Lỗ oculus là nguồn sáng duy nhất của không gian bên trong ngoài cửa chính. Một đĩa nắng tròn di chuyển chậm trên tường và sàn suốt ngày, như kim của một chiếc đồng hồ mặt trời khổng lồ. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng vào những ngày nhất định, vệt nắng rơi đúng vào cửa chính hay những vị trí đặc biệt, dù ý đồ của người thiết kế còn được bàn luận.
Trời mưa thì nước rơi thẳng xuống. Sàn Pantheon hơi vồng ở giữa và có các lỗ thoát nước nhỏ, nên mưa không đọng lại. Đứng dưới oculus một ngày mưa nhẹ, ta thấy một cột mưa mảnh rơi giữa không gian khô ráo.
Pantheon và những mái vòm sau nó
- Hagia Sophia ở Constantinopolis (năm 537): mái vòm đặt trên bốn vòm cuốn và các cánh buồm (pendentive), cho phép đặt vòm tròn lên mặt bằng vuông.
- Nhà thờ chính toà Florence (Brunelleschi, 1420 – 1436): mái vòm gạch tám mặt lớn nhất thế giới, dùng vòm hai lớp và gạch xếp xương cá.
- Nhà thờ thánh Phêrô ở Vatican (hoàn thành 1590 dưới thời Giacomo della Porta, theo thiết kế của Michelangelo): đường kính trong khoảng 41,5 mét, nhỏ hơn Pantheon một chút.
- Thế kỷ 20: bê tông cốt thép và kết cấu thép cho phép mái vòm vượt xa Pantheon về đường kính, nhưng không mái vòm bê tông không cốt thép nào lớn hơn.
Hình dung không gian Pantheon trước khi đến
Thử bài tập này trước khi xem ảnh: một quả cầu đường kính 43 mét, tức cao gần bằng toà nhà 14 tầng, đặt trong một căn phòng tròn vừa khít. Đường kính ấy lớn hơn chiều dài một sân bóng rổ khoảng 15 mét. Đứng ở giữa sàn, ngước lên, lỗ tròn trên đỉnh rộng bằng một căn phòng khách lớn.
Nhiều du khách kể rằng ảnh chụp không truyền tải được cảm giác khi bước vào: không gian trông nhỏ hơn thực tế vì không có gì để so sánh, cho tới khi thấy những người đứng dưới oculus nhỏ như con kiến. Đây là ví dụ về việc thiếu mốc kích thước quen thuộc làm não ước lượng sai.
Góc nhìn hôm nay: tự dựng mô hình
- Lấy một quả bóng nhựa và một lon hay ống giấy có đường kính bằng quả bóng. Cắt ống cao bằng bán kính bóng. Đặt nửa quả bóng lên trên: bạn có tỉ lệ Pantheon.
- Khoét một lỗ tròn ở đỉnh (khoảng một phần năm đường kính), đặt mô hình dưới đèn bàn. Xoay đèn chậm như mặt trời và quan sát đĩa sáng di chuyển bên trong.
- Vẽ mặt cắt Pantheon: một hình vuông với nửa đường tròn trên đỉnh, rồi vẽ đường tròn đầy đủ để thấy nó chạm sàn.
Pantheon nay là nhà thờ, mở cửa cho du khách; từ năm 2023 có thu vé vào cửa. Các sách về lịch sử kiến trúc La Mã, như của nhà sử học William MacDonald, có nhiều phân tích kỹ về công trình.
Câu hỏi thường gặp
Mái vòm Pantheon lớn bao nhiêu?
Mái vòm Pantheon có đường kính trong khoảng 43,3 mét, và chiều cao từ sàn tới đỉnh vòm cũng khoảng 43,3 mét. Lỗ tròn trên đỉnh rộng khoảng 8,2 mét.
Vì sao mái vòm Pantheon tồn tại gần hai nghìn năm?
Vì vòm dày ở chân, mỏng ở đỉnh, dùng bê tông nhẹ dần theo độ cao, có các ô lõm giảm trọng lượng, lỗ tròn bỏ phần nặng ở đỉnh, và bê tông La Mã trộn tro núi lửa rất bền.
Pantheon được xây khi nào?
Công trình hiện nay được xây dưới thời hoàng đế Hadrian và hoàn thành khoảng năm 125. Ngôi đền đầu tiên ở đây do Marcus Agrippa xây khoảng năm 27 đến 25 trước Công nguyên, tên ông vẫn khắc trên mái hiên.
Lỗ trên đỉnh Pantheon có bị mưa vào không?
Có, mưa rơi thẳng xuống qua lỗ oculus. Sàn hơi vồng ở giữa và có các lỗ thoát nước nhỏ nên nước không đọng lại.
Mái vòm bê tông lớn nhất thế giới là gì?
Pantheon vẫn là mái vòm bê tông không cốt thép lớn nhất. Các mái vòm hiện đại dùng bê tông cốt thép hoặc kết cấu thép có đường kính lớn hơn nhiều.