多納托回佛羅倫薩以後，布魯內萊斯基一個人留在羅馬。他繼續在建築廢墟中勞作，比以前更加勤奮。他一直幹到畫完各種建築物的圖——圓形、方形或八邊形的廟宇、長方形廊柱大廳、高架渠、浴室、拱門、圓形劇場、圓形露天競技場、各種磚建的教堂等，然後才休息。他研究了這些建築物的所有粘合和固定的方式，以及拱頂和拱門的轉彎方法。他還注意銜接石頭的所有方法，以及如何保持平衡和緊密地聯結所有的部件。他發現所有較大的石頭上都有一個孔，正好位於下側的中心，原來那是插提起石頭用的鐵工具的地方，這一工具我們稱之為石匠鉗，這一發明經他挖掘出來後一直沿用至今。
然後他又仔細地將不同的柱型分開，如多利斯柱型、愛奧尼亞柱型和科林斯柱型。由於他的研究熱情高，結果他能夠在想象中徹底重建羅馬城，並能想象出它毀壞之前的樣子。一四〇七年，那裏的空氣使布魯內萊斯基的身體出了點小毛病，他的朋友就勸他改變一下環境，因此他回到了佛羅倫薩。在他離開期間，佛羅倫薩的很多建築蒙受了損失。他回來以後就為這些建築畫了很多圖，提出了很多建議。
同一年，許多建築師和工程師在佛羅倫薩聚會，召集者是聖馬裏亞·德爾·菲奧雷教堂的工程監管會和絨繡工行會的行政官，商量如何建造穹頂的問題。布魯內萊斯基也出席了會議。他發表意見說，屋頂以上的部分不能按阿諾爾福的設計建造，而要建一個十五臂高的雕帶，每一麵有一個大窗戶，這樣不僅能夠減輕後殿窗間壁的重量，而且也使穹頂的建造更容易一些。於是，就按照這種方法製作了模型。
布魯內萊斯基回來幾個月之後就恢複了健康。一天上午，他和多納托以及其他一些藝術家在聖馬裏亞·德爾·菲奧雷廣場，他們談起了古代的雕塑。多納托說，他從羅馬回來的時候取道奧維多，去看看那座城裏大教堂的大理石正麵。他說，那座建築極為著名，出於很多大師之手，當時被認為是一件傑作。他又說，後來他路過科爾托納，在當地神父會的教堂裏見到一個最漂亮的古代大理石容器，上麵裝飾有雕像，這在當時極為罕見，因為現在我們見到的大批漂亮古董那時還沒有出土。多納托接著講述了作者處理這件藝術品的方法，他說處理得十分精細，其做工十分精湛，甚至可以說是完美無缺。
一聽這話，布魯內萊斯基便急不可待地要去親眼看看。對藝術的愛促使他出發了。他披著鬥篷，戴著兜帽，穿著木鞋，徒步向科爾托納走去，但他沒有說要到哪裏去。他見到那件容器後十分高興，用筆畫了一張圖後就回到了佛羅倫薩。多納托或任何人都不知道他走了，人們都以為他肯定是忙著繪圖或發明什麽東西。回到佛羅倫薩以後，布魯內萊斯基將精心繪製的容器圖拿給多納托看，他對布魯內萊斯基這一熱愛藝術的舉動頗為驚訝。
布魯內萊斯基然後就在佛羅倫薩待了好幾個月，私下裏為建造穹頂準備模型和機械，同時還不停地和他的藝術家夥伴們開玩笑，就是在這時他開了“格拉索和馬泰奧”的玩笑。他還常到洛倫佐·吉貝爾蒂那裏玩兒，幫他完成一些門的部件。
一天上午，他聽說人們在談論為建造穹頂尋找工程師，就突然想回到羅馬，認為到羅馬比待在佛羅倫薩能獲得更高的聲譽，也更容易使外地人找上門來。布魯內萊斯基因此而回到羅馬以後，人們注意到了他的敏銳創造力和足智多謀，他在談話中表現出了別的建築師誰也不具備的信心和勇氣，那些建築師和工匠們一樣，站在那裏茫然不知所措，因為他們相信永遠也找不到建造穹頂的方法，也沒有任何梁能搭起一個足以支撐起如此巨大的建築物的構架和重量的腳手架。所以，監管會決定把這件事定下來，於是就給在羅馬的布魯內萊斯基寫信，懇求他回到佛羅倫薩。
這正是布魯內萊斯基求之不得的事情，所以他馬上就回去了。他一回去，聖馬裏亞·德爾·菲奧雷教堂的監管會和絨繡工行會的行政官們就聚集在一起。他們把所有的困難都擺在他麵前，從最大的到最小的，這都是和他同時在場的藝術家們提出來難為他的。布魯內萊斯基這樣回答說：“監管會的先生們，毫無疑問，承擔偉大的工程總會有困難。如果以前的工程沒有困難，這一項工程肯定有，而且其困難程度你們也許還不完全清楚，因為據我所知，甚至古代人也沒有建造過像這樣巨大的一個拱頂。我曾多次考慮過要建的腳手架，包括裏麵的和外麵的，也考慮過安全建造的方法，但我一直沒能拿定主意，建築物的寬度和高度都使我感到棘手。如果穹頂能用圓拱聯結，我們不妨使用羅馬人建造萬神廟的方法，也就是那個有圓頂的建築物。但我們的建築物是八邊形，這就要用鳩尾榫接合石頭，就像是用鏈子將它們鎖住一樣，這將是件很難的事。但由於這是座獻給天主和聖母的教堂，我堅信他們不會不給我們指點迷津，他們一定會給這一工程的建造者以力量、智慧和天才。可這一工程不是我的，我怎麽能夠幫助你們呢？我明白地告訴你們，如果它屬於我，毫無疑問，我的勇氣和力量足以能夠不費很大勁地找出解決問題的辦法。而我還沒有考慮這一問題，你們就讓我告訴你們完成任務的辦法。即便是諸位閣下決定建穹頂，你們也要先試試我，我不認為隻有我一個人才能對這麽大的一項工程提供意見。另外你們還要花錢，要定下一個日期，讓建築師們在一年之內聚集到佛羅倫薩，不僅僅是托斯卡納人和意大利人，還包括德意誌人、法蘭西人和各個國家的人。應該對這些人提出這項工程，這樣經過討論後，把工程交給其中的一個人，這個人應該表現出最好的能力，或拿出承擔這一浩大工程的最佳方法和最好的意見。我隻能表明這一意圖，再也作不出更好的安排了。”
布魯內萊斯基的提議和計劃使行政官和工程監管會的成員感到很滿意，他們想讓他準備個模型，以便他們作出決定。但他不打算這樣做，於是就告辭了，說有人寫信請他回羅馬去。財產托管會的人發現，他們以及監管會的人都不足以挽留住他，就讓他的幾個朋友求他留下來，而布魯內萊斯基仍不為所動。一四一七年五月二十六日上午，監管會給了他一筆錢，其數目可以在布魯內萊斯基的工程賬簿上所記載的花費款項中找到，這都是為了讓他留下來。但布魯內萊斯基的態度很堅決，他還是離開佛羅倫薩回到了羅馬。
到羅馬以後，他堅持不懈地研究同一課題，為完成那一工程做了很多的準備，他相信除他之外誰也無法將它完成，事實也是如此。布魯內萊斯基讓行政官召集新的建築師，隻不過是想讓他們看看他那高人一籌的才能。他根本不相信他們能夠接受為那個後殿加蓋拱頂的委托，他們也不願接受那一任務，他認為那對他們太困難了。過了很長一段時間之後，行政官召集的建築師才從不同的國度趕來。居住在法蘭西、德意誌、英格蘭和西班牙的佛羅倫薩商人接到了指示，要他們花費大筆的款項去送他們，還要他們向所在國的君主要最有經驗和最有名的藝術家。
一四二〇年，所有這些外國的藝術家終於都聚集在佛羅倫薩，另外還有托斯卡納的藝術家和佛羅倫薩所有的最優秀的設計藝術家。布魯內萊斯基也從羅馬回來了。大家聚集在聖馬裏亞·德爾·菲奧雷監管會的大廳，在場的還有行政官和監管會的成員，以及一些挑選出來的最能幹、最精明的公民，目的是聽取每個人的意見之後，決定采取哪一種為後殿加蓋拱頂的方法。所有的建築師都一一發言，宣布自己采取的方法。聽著他們就這件事提出的各種離奇的主張，真是叫人大開眼界。有人說，要從地麵往上建柱子，在柱子上麵建拱，上麵再放支撐建築物重量的木構架。還有人主張用海綿石建拱頂以減輕重量。好幾位藝術家讚成在中間建一根柱子，將穹頂建成亭子形，就像佛羅倫薩的聖喬瓦尼教堂那樣。另有人主張最好在空地方填上土，土裏麵摻進硬幣；建好穹頂以後，允許人們去隨便取土，這樣不用花錢就馬上會把土運走。隻有布魯內萊斯基一人聲稱，不要那麽大的木構架就可以建穹頂，中間也不要柱子，也不要土堆，其花費要比建那麽多的拱少得多，而且也很容易，根本就不需要框架。
聽到這話，一直在尋求高見的行政官們認為布魯內萊斯基不過是在胡說八道，監管會和其他所有的公民也都是這樣認為。於是他們嘲笑他，不想再聽他談這些傻話或瘋話，讓他再說些別的。布魯內萊斯基認為他有冒犯的理由，於是就回答說：“先生們，不用我的方法根本就建不成穹頂。盡管你們嘲笑我，但你們不得不承認（如果你們不打算頑固到底），其他的任何方法都不行。如果按我說的辦法建造，就要建成尖拱，而且是兩個，裏麵一個，外麵一個，兩者之間形成一個通道。在八堵牆所形成的角上，要用鳩尾榫聯結石頭以加固建築；同樣，牆本身也要用堅固的櫟木梁圍起來。我們還要準備燈、樓梯和排雨水的管道。諸位都沒有想起來要在裏麵搭架子來鑲嵌馬賽克，另外還有很多困難的準備工作要做。我要監造穹頂，所以這些事情我都考慮過了；除了我剛才說過的方法之外，再沒有別的方法能把它建成。”
布魯內萊斯基越說越激動。他越想把自己的觀點說清楚，以爭取聽眾的理解和支持，人們就越懷疑他、越不信任他。結果人們不但不信他，反而把他當成傻瓜，當成個胡說八道的人。人們幾次趕他走，可他就是不走，他們就讓在場的仆人將他強行轟走，說他完全瘋了。由於這次對他的非禮，他後來說，他那時不敢在城裏的任何地方走動，以免有人說：“看！那個傻瓜！”
行政官以及參加聚會的其他人仍然不知道該怎麽辦。一方麵是其他藝術家提出的很困難的辦法，另一方麵是布魯內萊斯基的意見，這在他們看來完全是胡言亂語。他們認為，布魯內萊斯基的兩個提議根本不能用：第一個是將穹頂建成雙層，這樣就根本無法支撐其巨大的重量；第二個提議是建築時不用框架。而布魯內萊斯基為這一工程已進行了多年的仔細研究；他感到茫然，多次想離開佛羅倫薩。但他要是想取得勝利就要有耐心。閱曆使他知道，那座城的首腦很少能長期堅持一種意見。他私下裏做好了一個小模型，他可以輕而易舉地把它拿出來讓他們看，但他不願這樣做，他知道行政官們缺乏理解力，藝術家們忌妒，公民們則左右搖擺，一會兒讚成這一個，一會兒讚成那一個。對此我不感到奇怪，因為每個佛羅倫薩人都聲稱自己懂得這些事情，和最有經驗的藝術家懂得一樣多，盡管真正理解的人很少。我們可以被允許去證實這一真理，而不得罪那些深諳此道的人。
因此，布魯內萊斯基開始和個人打交道，爭取做在大庭廣眾麵前做不到的事。他有時和一個行政官談，有時和一個監管人談，有時又和不同的公民談，還拿出他的部分設計讓他們看，終於使他們同意將這一工程要麽交給他，要麽交給一個外國建築師。於是，行政官、監管會和挑選出來擔任評委的公民又恢複了勇氣。他們再次聚會，聽取建築師們就這一問題進行的辯論。布魯內萊斯基以充足的理由駁倒了所有的人，據說還出現了如下所述的有關雞蛋的爭辯。其他的建築師要布魯內萊斯基詳細解釋他的意圖，並像他們那樣拿出他的模型來。他不願這麽做，而是向所有的藝術家、外國人和本國人提議，誰要是能把一個雞蛋豎立在一塊光滑的石頭上，誰就應該接受委托來建穹頂，因為這樣做能表現出他的才華。於是他們拿出一個雞蛋，所有的藝術家都盡了最大的努力來使它豎起來，但誰也找不到能這樣做的方法。因此，人們讓布魯內萊斯基自己試試看。他很靈巧地把雞蛋拿在手裏，將雞蛋的一端往石頭麵上一撞，就把它豎在那裏了。藝術家們一看就大聲抗議，說他們都會這樣做。而布魯內萊斯基笑著回答說，如果他們看了模型和設計，他們也會知道如何建造穹頂。這樣，人們終於決定讓布魯內萊斯基建造這一工程，但要他向行政官和監管會提供更確切的情況。
於是他回到家裏，將他的全部意圖盡可能清楚地表述在一張紙上，然後將它交給了評議會，其內容如下：“尊貴的先生和監管人，考慮到建造這一工程的困難，我認為它決不能建成一個純圓形，因為上麵放頂塔的那一部分太大了，一承重很快就會塌下來。我覺得那些建築師根本就不考慮建築物的持久性，他們甚至不知道自己在幹些什麽。所以，我決定將拱頂的裏麵根據牆的形狀建得帶角，采用尖拱的比例和樣式，因為這種樣式顯示出一種迅速上升的趨向，頂塔壓上去之後，各部分能相互照應來保持穩定。拱頂基部的厚度應為三又四分之三臂，然後像金字塔一樣向上升，從外麵到合攏的地方逐漸變小，那就是放頂塔的地方，其厚度為一又四分之一臂。
“第一個拱頂的外麵要再建一個拱頂，以保護第一個免遭雨淋，其基部的厚度應為二臂半，也像金字塔那樣按比例減小，使各部分在頂塔的開始處會合，就像另一個那樣，最高處的厚度應是基部厚度的三分之二。每個角上要有個扶壁，一共有八個，兩角之間每麵牆的前麵要有兩個，共有十六個。每麵牆裏外的這十六個扶壁，其基部的寬度每一個應是四臂……”
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