Se trata de un templo circular dedicado a todos los dioses. Su construcción se atribuye a Marco Vipsanio Agripa, amigo y general del emperador Augusto, aproximadamente en el año 27 a.c. Hoy sabemos, que el templo fue destruido, y que el que existe en la actualidad es una reconstrucción realizada en tiempos de Adriano. Lo que hoy es un pórtico de entrada fue originalmente la fachada de un templo períptero. El primer templo era rectangular con la cella dispuesta transversalmente, y estaba construido con bloques de travertino forrado en mármol. Los capiteles eran de bronce y la decoración incluía cariátides y estatuas frontales.
Con la reconstrucción de Adriano se cambió la orientación, ya que se colocó la fachada principal hacia el norte. El edificio quedó compuesto por una columnata a modo de pronaos, una amplia cella redonda y una estructura prismática intermedia. El gran pronaos y la estructura de unión con la cella, ocuparon por completo el espacio del templo anterior, mientras que la rotonda fue construida sobre el espacio de la plaza augustea que separaba el Panteón de la basílica de Neptuno. Se atribuye su reconstrucción al arquitecto Apolodoro de Damasco.
La inserción de una amplia sala redonda adosada al pórtico de un templo clásico es una innovación de la arquitectura romana. Lo novedoso es su incorporación al Panteón de Agripa, pues la construcción de una cúpula semiesférica sobre un tambor circular, era típico en las termas romanas y en general en las grandes salas de los primeros tiempos del Imperio. El espacio interno de la rotonda está constituido por un cilindro cubierto por una semiesfera. El cilindro tiene una altura igual a su radio, y la altura total es igual al diámetro, por lo que se puede inscribir una esfera completa en el espacio interior.
El Panteón fue en origen un templo consagrado a las siete divinidades celestes de la mitología romana: el Sol, la Luna, Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno. Cada uno de ellos tenía asignado uno de los siete ábsides del interior.
La sala circular era una esfera perfecta, representación de la concepción cosmogónica de Aristóteles. Por un lado, el mundo infralunar corresponde a la mitad inferior del edificio. El mundo supralunar, la esfera celeste, es la bóveda, en la que el óculo central hace las veces del sol. El edificio estaba concebido para unir al hombre con la divinidad, pero sobre todo al emperador, que era proclamado un dios a los ojos del pueblo.
El pronaos octóstilo, con ocho columnas en la fachada y con cuatro columnas en los laterales, mide 34,2 por 15,6 metros y se encuentra 1,3 metros sobre el nivel de la plaza, de modo que se accede subiendo cinco escalones. El friso contiene la inscripción de Agripa (M.AGRIPPA.L.F.COS.TERTIVM.FECIT) en letras de bronce. En el interior, dos filas de cuatro columnas dividen el espacio en tres naves, la central y más amplia conduce a la gran puerta de acceso a la cella.
En el nivel inferior de la rotonda se abren ocho amplias exedras (construcción descubierta de planta semicircular, con asientos y respaldos fijos en la parte interior de la curva). Los nichos están enmarcados por un orden de pilastras y de columnas, con un entablamento corrido en todo el perímetro. En un segundo nivel, desde el entablamento hasta la imposta de la bóveda, hay una fila de ventanas, que coinciden en vertical con los nichos y los edículos. El pavimento es ligeramente convexo, con la parte central 30 centímetros más alta que el perímetro. El revestimiento es de baldosas con un diseño de cuadrados en los que se inscriben alternativamente cuadrados y círculos más pequeños.
La cúpula está decorada en el interior con cinco filas de casetones, que decrecen en tamaño hacia el centro, donde está perforada por un óculo de 8,9 metros de diámetro. Estaba rodeado por una cornisa de bronce fijada a la cúpula en la última fila de casetones.
Las técnicas constructivas romanas han permitido a la cúpula resistir diecinueve siglos sin necesidad de reformas o refuerzos. Se apoya sobre un grueso anillo de hormigón con paredes de ladrillo, en las que se practicaron aberturas correspondientes a los tres niveles compositivos. Además de funcionales, estas aberturas eran estructurales, porque formaban un esqueleto interno de arcos de descarga.
Se buscó reducir el peso de la cúpula aligerando los materiales (piedra pómez), y reduciendo paulatinamente el espesor de la cáscara muraría hacia arriba, desde los 5,9 metros iniciales hasta los 1,5 metros finales.
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