La coupole de Santa Maria del Fiore, également connue sous le nom de coupole de Brunelleschi ou coupole du Dôme de Florence, a été élevée de 1420 à 1436 au-dessus du transept de la cathédrale Santa Maria del Fiore à Florence. C'était à l'époque le plus grand dôme du monde depuis l'Empire romain d'Occident, et il est considéré comme le plus grand dôme jamais réalisé en maçonnerie. Il a été conçu, dessiné et construit par Filippo Brunelleschi, qui a inauguré avec cette œuvre la Renaissance italienne et florentine en architecture. Elle est considérée comme l'une des constructions les plus importantes édifiées en Europe depuis l'époque romaine, en raison de son importance fondatrice dans le développement ultérieur de l'architecture et de la construction modernes.
Le dôme n'est pas hémisphérique, mais composé de huit faces ou panneaux trapézoïdaux, recouverts de tuiles d'argile rouge et bordés de huit nervures de pierre blanche. L'ensemble de la structure repose sur un tambour octogonal, percé de huit oculi pour l'éclairage intérieur. Les nervures convergent vers un anneau octogonal sommital, couronné d'une lanterne qui contribue à laisser entrer la lumière. La structure interne de la coupole est composée de deux coques, l'une intérieure et l'autre extérieure, construites en briques disposées en chevrons. Elles sont reliées entre elles par une grille interne formée de nervures et de veines, qui soutient le dôme et contribue à sa stabilité. Entre les deux calottes est menagé un espace par lequel la montée s'effectue jusqu'à la lanterne. L'extérieur du tambour est recouvert de marbre polychrome et d'une balustrade incomplète qui n'a été construite que sur un des huit côtés. La face intérieure de la coupole est décorée de fresques et de peintures à la détrempe représentant le Jugement dernier.
Les proportions de l’ensemble sont monumentales. La hauteur maximale du dôme est de , le diamètre maximal de la coque intérieure de et celui de la coque extérieure est de . La base des impostes est à du sol. Le tambour, haut de et large de , est situé à du sol. La calotte intérieure a une épaisseur à sa base de , qui diminue jusqu'à au sommet, tandis que la calotte extérieure a une épaisseur qui diminue de à . L'anneau de fermeture supérieur du dôme se trouve à au-dessus du sol. La lanterne mesure de diamètre et de hauteur. Les panneaux trapézoïdaux mesurent de longueur et ont une hauteur de . Le poids total estimé du dôme est d'environ , ce qui correspond à l'utilisation probable de de briques pour sa construction.
Ses dimensions ont rendu inutilisables les méthodes de construction traditionnelles utilisant des coffrages, ce qui a donné lieu à des spéculations sur les théories concernant les techniques de construction utilisées. Brunelleschi n'a laissé aucune trace de dessins, modèles ou esquisses qui renseigneraient sur la procédure utilisée dans la construction de la coupole.
La construction du dôme a duré seize ans, de 1420 à 1436. La construction de la lanterne a commencé en 1446 et s'est terminée en 1461. Le revêtement extérieur du tambour a été réalisé entre 1512 et 1515, et la décoration picturale de l'intérieur du dôme a duré de 1572 à 1579.
En 1982, le centre historique de Florence, y compris la cathédrale Santa Maria del Fiore et son dôme, a été déclaré site du patrimoine mondial par l'UNESCO..
Histoire vignette|alt=Façade latérale d'église inscrite entre une foule de religieux et fidèles en bas et de personnages du paradis en haut.|Représentation de Santa Maria del Fiore, par Andrea di Bonaiuto, vers 1355. Chapelle espagnole, Florence.
La construction de l'édifice actuel de la cathédrale de Santa Maria del Fiore a commencé entre 1294 et 1295, remplaçant l'église plus petite de Santa Reparata. Le tambour fut construit entre 1410 et 1413, et sa base supérieure achevée entre 1414 et 1415. Cependant, au début du , le problème du toit, dont la construction préoccupait depuis longtemps les membres de l'Opera del Duomo, n'avait pas encore été étudié en profondeur. Ce ne fut pas tâche facile de construire et localiser le point où devait être soutenu l'énorme coffrage en bois qui maintiendrait le dôme jusqu'à sa fermeture définitive avec la clé de voûte. De plus, il n’était pas possible de soutenir un ouvrage de telles dimensions par un échafaudage traditionnel, car aucune variété de bois n’aurait pu supporter un poids aussi important.
Arnolfo di Cambio, l'architecte qui a conçu la nouvelle cathédrale, avait probablement prévu ce revers, puisqu'il avait imaginé l'achèvement de son édifice par un dôme très différent et bien plus grand que les coupoles traditionnelles des cathédrales médiévales. Son idée d'utiliser une couverture plus conventionnelle peut être vue sur une fresque bien connue d'Andrea di Bonaiuto dans la chapelle espagnole de Santa Maria Novella à Florence.. Le tableau, daté d'environ 1355, montre en arrière-plan une église clairement reconnaissable comme Santa Maria del Fiore, sur laquelle est représenté un dôme sans tambour et de forme hémisphérique, bien que pourvu de côtés très courbes. Cependant, un dôme semi-circulaire, même s'il était plus petit et ne comportait pas de tambour, aurait eu beaucoup de mal à supporter le poids de la lanterne sans l'aide de renforts. En tout cas, il est possible que Bonaiuto ait donné au dessin une forme plus arrondie que celle qu'Arnolfo di Cambio avait prévue pour son projet.
vignette|gauche|alt=Dessin ombré avec notes latérales en écriture cursive.|Plan et coupe du dôme et de l'abside, par Ludovico Cardi, dit Cigoli, 1610. Dans le coin supérieur gauche, les dômes du Panthéon d'Agrippa et de Saint-Pierre de Rome sont placés en comparaison, en plan et en profil.
Le , l'Opera del Duomo annonça un concours public pour la construction du dôme. En plus de résoudre les problèmes techniques d'ingénierie, il devait terminer le bâtiment de manière harmonieuse, en soulignant sa valeur symbolique, en s'imposant dans l'espace urbain et les environs.. Parmi les dix-sept participants, Filippo Brunelleschi, qui avait réalisé une maquette en bois pour l'occasion, et Lorenzo Ghiberti, passèrent à une deuxième phase. Brunelleschi perfectionna son modèle, « aussi grand qu'un four », donnant davantage d'informations pour démontrer la faisabilité d'un dôme sans cadre. À la fin de 1419, avec l'aide de Nanni di Banco et de Donatello, il organise une démonstration sur la Piazza del Duomo, entre la cathédrale et le campanile, avec une maquette en brique et mortier, sans cadre. Cette performance fait une impression positive sur les membres de l'Opera del Duomo. Le , les travaux sont définitivement confiés à Brunelleschi et Ghiberti, qui sont nommés surintendants du Dôme.
Le document de 1420 Le fut rédigé le projet du Document de 1420, attribué à Brunelleschi, dans lequel fut déterminé le programme de construction du dôme. Il s’agissait de l’un des premiers contrats dans lesquels un contremaître de chantier assumait la responsabilité du projet devant le client. L’accord décrivait la manière dont le tambour devait être fermé et spécifiait les aspects les plus importants de la construction. Il s’agissait en substance d’un « programme de travail » inédit qui résumait en quelques lignes la structure, la forme et les dimensions du bâtiment. Plutôt que de définir une intention programmatique, Brunelleschi a défini le projet en fournissant des dispositions exécutives. Les douze points énumérés contenaient non seulement l’œuvre achevée, mais indiquaient également les variations, les incidents et les ajouts qui devaient être apportés. Par exemple, plusieurs anneaux de fer devaient être insérés dans les murs du dôme pour soutenir l'échafaudage sur lequel travailleraient les fresquistes.
vignette|alt=Vue de ville où un homme en robe rose tenant un livre montre un cortège de gens nus allant en Enfer.|Représentation du dôme de Santa Maria del Fiore dans l'œuvre Dante et son poème, de Domenico di Michelino, 1465. Le tambour est visible sans son revêtement. Cathédrale Santa Maria del Fiore, Florence.
La construction a officiellement commencé le , avec un banquet d'ouverture. Avant et pendant cette période, Brunelleschi et Ghiberti entretinrent toujours une grande rivalité, consignée et documentée dans les chroniques de l'époque. En 1425, après de nombreuses disputes, Ghiberti fut finalement écarté des travaux en raison de diverses erreurs techniques. Les travaux furent alors entièrement dirigés par Brunelleschi, qui continua son travail sans interruption notable jusqu'à l'achèvement de la base de la lanterne, le . Le , premier jour de l'année dans le calendrier florentin, la fin des travaux fut officiellement célébrée avec la bénédiction solennelle du pape Eugène IV, bien que le dôme ne fût terminé que le , avec la cérémonie de pose de la dernière pierre. La consécration a été commémorée par la première du motet isorythmique de Guillaume Dufay, avec des références aux armoiries de Florence et à la dédicace de la basilique à Santa Maria del Fiore.
Une fois la construction du dôme terminée, un autre concours public fut organisé pour la lanterne, qui fut à nouveau remporté par Brunelleschi.. Les travaux commencèrent en 1446, quelques mois avant la mort de l'architecte. Ils furent repris sous la direction de son ami et disciple Michelozzo di Bartolomeo, pour être finalement terminés le .
La lanterne a subi divers accidents au cours de l'histoire en raison de la foudre. Les plus importants ont été enregistrés en 1492 et 1601, le dernier provoquant l'effondrement de la sphère et de la croix de couronnement, qui furent restaurées en 1602. La structure a également subi plusieurs tremblements de terre, les plus notables étant ceux survenus en 1453, 1542 et 1695.
En 1639, plusieurs fissures furent découvertes dans la coupole, courant verticalement depuis le sommet des arcades des murs aveugles, à travers les oculi et atteignant la lanterne. Ces fissures subissent des cycles saisonniers alternés d’expansion et de contraction en fonction de la température. En 1757, Leonardo Ximenes signalait déjà l'existence de plusieurs fissures angulaires sur la face interne des huit bords d'intersection des toiles, situées dans le tiers inférieur de la coupole. Ces fissures se sont développées lentement au fil des siècles. Ces dernières années, de nombreuses investigations et études ont été menées, ainsi que depuis les années 1980 un suivi du comportement structurel du dôme.
Description vignette|gauche|alt=Dessin coloré de terre de Sienne.|Coupe du dôme de Santa Maria del Fiore montrant l'emboîtement des poutres conçu par Brunelleschi en 1420.
Le dôme de Santa Maria del Fiore comprend trois éléments principaux : le tambour, le dôme et la lanterne de couronnement.
Le dôme est composé de huit grandes sections de briques rouges, également appelées segments ou « gallons ». À l'intérieur, la base ou première section est solide jusqu'à une hauteur de à partir du niveau de départ, et formée de six rangées de blocs de grès reliés par des morceaux de fer étamé. De cette hauteur, le dôme est divisé en deux feuilles, une intérieure et une extérieure, en briques et séparées par un espace vide intermédiaire. La coque extérieure sert à préserver et à protéger la coupole contre les influences extérieures, tandis que la coque intérieure remplit une fonction structurelle.. La coque intérieure mesure d'épaisseur et la coque extérieure environ d'épaisseur. L'espace intermédiaire mesure environ de large et sur toute sa longueur se trouvent quatre couloirs intérieurs et plusieurs escaliers menant à la lanterne. Il semble que Brunelleschi ait décidé de réaliser ce projet d'espace entre les deux feuilles pour alléger la structure, qui autrement aurait été trop lourde pour être soutenue par les quatre grands piliers sur lesquels repose l'ensemble du dôme.