아야 소피아 회당의 내부 공간은 초기 기독교회당에서 볼 수 있는 기하학적이며 정적인 공간이 아니다. 높이 솟아 있는 반구형의 중앙 돔은 그 밑에 늘어서 있는 40개의 광색들로 말미암아 드높이 떠있는 것 같은 환상적인 분위기를 느끼게 한다. 광선과 아름다운 색들로 충만하고도 장엄한 종교적 예배공간을 연출함으로써 물리적 공간의 한계를 초월해서 신비한 천상의 세계를 상징하고 있다. 이로 인해 소피아 사원을 밖에서 바라볼 때는 천오백 년 세월을 견뎌 온 바위 같은 견고함이 느껴지지만 주 출입구에 서서 돔 천장을 바라다보면 마치 돔 전체가 공중에 온전히 떠 있는 것 같은 신비한 느낌을 받게 된다. 이러한 부상효과는 아래의 회랑이 어둠에 잠겨 있음으로 인해 생기는 빛의 대비 때문에 생긴다. 돔에 뚫린 40개의 창으로부터 들어오는 자연광이 빚어내는 절묘한 빛의 조화로 인해 돔은 마치 떠받쳐 주는 지주라곤 전혀 없이 공중에 붕 떠 있는 것처럼 보인다.

아야 소피아의 돔은 펜덴티브 구조법으로 완성됐다. 이 구조법은 로마처럼 석재가 풍부하지 못한 지역, 그리고 기존의 돔 구조법으로는 로마의 판테온 같은 평면밖에는 만들 수 없다는 문제점을 동시에 해결하기 위해서 만들어졌다. 펜덴티브형 돔은 판테온처럼 돔의 가장자리와 접하는 부분을 아치(arch)로 만들면서 내부공간을 좀 더 자유롭게 한 형태 아치에서 발전된 것이다. 즉 이 형태 아치의 모서리 부분을 안쪽으로 내쌓기 하면서 구면 세모꼴로 만들면 돔의 하중이 이곳으로 전달되면서 네모꼴 평면이 만들어지는 것이다.

성 소피아의 거대한 펜덴티브 돔은 직경이 32m이며 바닥으로부터 꼭대기까지의 높이는 거의 54m에 달한다. 펜덴티브 돔은 성 소피아 대성당에서 처음 기념비적 규모로 사용되고 나서 곧 비잔틴 건축의 기본 특징이 됐다. 훗날 서유럽 건축에도 사용되면서 성 소피아 대성당의 기묘한 역학적 처리는 동방과 서방의 과거와 미래를 종합한 건축물로 인정받게 됐다.

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