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El esbelto tambor está iluminado por ocho grandes ventanales, flanqueados por floreros labrados en la piedra, y separados por pilastras adosadas adornadas con relieves dorados de los instrumentos litúrgicos. VR2

El diámetro interno de la cúpula es de 20 metros, y su altura interna sobre el pavimento de la iglesia alcanza 50 metros. Se trata de una bóveda doble, casi perfectamente esférica: una interior, de piedra arenisca, y otra exterior, de caliza, con una separación entre ambas de casi 50 cm. Añadiendo esta separación y la altura de la gran linterna, que corona a la cúpula, ésta alcanza en la cruz de remate la altura de 65 metros.

En lo alto del tambor hay un nuevo balcón corrido de hierro forjado, En los arranques de los nervios de la cúpula aparecen las estatuas alegóricas de las ocho virtudes, diseñadas en 1732 por el estatuario francés Juan de Lane y modeladas en estuco por el escultor italiano Gaetano Pace en el período 1734-1738. Son, empezando por la que lleva en sus manos la Eucaristía y en sentido retrógrado, las virtudes Fe, Caridad, Esperanza, Religión, Templanza, Justicia, Prudencia, y Fortaleza. Los ocho gajos de la media naranja de la cúpula están labrados (otra singularidad de la iglesia de Loyola) con vistosos escudos policromados, las armas de los Reyes de España, de los Austrias (con águilas) y de los Borbones (con leones tenantes y las tres flores de lis en el escusón central). Sobre la cúpula se alza una amplia linterna iluminada por ventanales y rematada con un florón.

La cúpula externa fue restaurada y reforzada con cables de acero en el período 1992-1994. La cúpula interna ha sido objeto de cuidadosa restauración, iniciada el 13 de diciembre de 2000 e inaugurada el 19 de julio de 2002. La necesidad de estas restauraciones tiene su origen, como veremos, en la historia de la construcción del templo.

Ya hemos dicho que el primitivo proyecto de esta iglesia de planta circular (como el de todo el Colegio) fue diseñado por el arquitecto italiano Carlo Fontana (1634-1714), discípulo de Gian Lorenzo Bernini, por encargo del Padre General Juan Pablo de Oliva (1664-1681), y enviado a Loyola por su sucesor, el Padre General Carlos de Noyelle (1682-1686). La primera piedra del Colegio de Loyola y de su iglesia fue colocada el 28 de marzo de 1689.

Más tarde, Martín de Zaldúa, que fue el Maestro de obras de Loyola desde 1693 hasta su interrupción en 1704, fue encargado de reelaborar, entre los años 1696 y 1700, el diseño de la iglesia de Carlo Fontana. Fontana preveía un espacioso circulo central, bajo una cúpula, rodeado de capillas radiales, separadas por robustas pilastras ciegas que contendrían el empuje de la ambiciosa cúpula. Zaldúa, abriendo la comunicación entre las dichas capillas radiales, creó una auténtica nave anular continua, que es el aspecto más original de la arquitectura de este templo. Esta nave anular está comunicada con el espacio central por 8 arcos abocinados desiguales, cuatro grandes y cuatro más pequeños. Tal vez algunos de los problemas que después ha presentado la estática de la cúpula, y que han obligado a su refuerzo y restauración, proceden de esta audaz modificación.

La Guerra de Sucesión española (1701-1714), con la que comenzó el siglo XVIII, causada por la sustitución en el trono de España de la Casa de Austria por la Casa de Borbón, provocó una interrupción de las obras de Loyola y de su iglesia entre los años 1704 y 1717. Reanudadas las obras en 1717, tuvieron a partir de 1719 como nuevo Maestro a Sebastián de Lecuna.

Lecuna tuvo que afrontar el problema de los arcos de comunicación del espacio central del templo con la nave anular, arcos abocinados sobre los que tenían que apoyar el recio tambor (de casi dos metros y medio de espesor) y la pesada cúpula; eran el punto más débil de la reestructuración del proyecto llevada a cabo por Martín de Zaldúa, consistente en la trasformación de las meras capillas radiales del proyecto de Fontana en una auténtica nave circular. Para afrontar este problema fue consultado el célebre arquitecto Joaquín de Churriguera (1674-1724), que visitó Loyola en 1720. De esta familia Churriguera, de origen catalán, en la que hubo tallistas y arquitectos, procede el nombre del llamado estilo churrigueresco, como forma exuberante del barroco español. En Loyola son buena muestra de este estilo el pórtico de la Basílica, toda la exuberante decoración interior del templo, y en particular el Altar Mayor del mismo.

En 1733, cuando la cúpula estaba ya casi cerrada, muere el maestro Sebastián de Lecuna. La cerrará del todo y la completará con la linterna el nuevo Maestro de Obras, Ignacio de Ibero. Pero después de colocar en 1734 la esfera de cobre que remata la linterna, y en 1735 la cruz situada encima de ella, Ignacio de Ibero tuvo que señalar que "la cúpula había hecho algún vicio", es decir, había hecho un movimiento de asentamiento, por lo que hubo que reforzarla en su base ciñéndola con dos aros o "zunchos" de hierro.

Terminadas la decoración, las puertas, etc., el colegio y la Iglesia fueron inaugurados en 1738, exactamente cincuenta años después del comienzo de las obras. La solemne consagración del templo y de sus altares no tendrá lugar hasta 1888-89.

Recientemente, como ya hemos dicho, en el período 1992-1994, la estática de la cúpula, que seguía manifestando problemas, fue ulteriormente reforzada mediante cables de acero que la ciñen exteriormente y un nuevo aro de acero en su base. Y durante los años 2000-2002 el interior del tambor y la cúpula interna han sido objeto de una cuidadosa restauración en la que se obturaron sus grietas.