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“水立方”位于奧林匹克公園B區西側，和國家體育場‘鳥巢’隔馬路遙相呼應，建設規模約8萬平方米，最引人注意的就是外圍形似水泡的ETFE膜（乙烯-四氟乙烯共聚物）。ETFE膜是一種透明膜，能為場館內帶來更多的自然光，他的內部是一個多層樓建筑，對稱排列的大看臺視野開闊，館內乳白色的建筑與碧藍的水池相映成趣。
國家游泳中心的設計方案，是經全球設計競賽產生的“水的立方”（[H2O]3）方案。該方案由中國建筑工程總公司、澳大利亞PTW建筑師事務所、ARUP澳大利亞有限公司聯合設計。其中中方設計者：中建國際(深圳)設計顧問有限公司總裁、總建筑師趙小鈞、總工程師毛紅衛，PTW建筑事務所的兩名主設計師為約翰·保林 (John Pauline)與托比·王(Toby Wong)。 設計體現出 [H2O]3(“水立方”)的設計理念，融建筑設計與結構設計于一體，設計新穎，結構獨特，與國家體育場比較協調，功能上完全滿足2008年奧運會賽事要求，而且易于賽后運營。 這個看似簡單的“方盒子”是中國傳統文化和現代科技共同“搭建”而成的。中國人認為：沒有規矩不成方圓，按照制定出來的規矩做事，就可以獲得整體的和諧統一。在中國傳統文化中，“天圓地方”的設計思想催生了“水立方”，它與圓形的“鳥巢”——國家體育場相互呼應，相得益彰。方形是中國古代城市建筑最基本的形態，它體現的是中國文化中以綱常倫理為代表的社會生活規則。而這個“方盒子”又能夠最佳體現國家游泳中心的多功能要求，從而實現了傳統文化與建筑功能的完善結合。 在中國文化里，水是一種重要的自然元素，并激發起人們歡樂的情緒。國家游泳中心賽后將成為北京最大的水上樂園，所以設計者針對各個年齡層次的人，探尋水可以提供的各種娛樂方式，開發出水的各種不同的用途，他們將這種設計理念稱作“水立方”。希望它能激發人們的靈感和熱情，豐富人們的生活，并為人們提供一個記憶的載體。 為達此目的，設計者將水的概念深化，不僅利用水的裝飾作用，還利用其獨特的微觀結構。基于“泡沫”理論的設計靈感，他們為“方盒子”包裹上了一層建筑外皮，上面布滿了酷似水分子結構的幾何形狀，表面覆蓋的ETFE膜又賦予了建筑冰晶狀的外貌，使其具有獨特的視覺效果和感受，輪廓和外觀變得柔和，水的神韻在建筑中得到了完美的體現。輕靈的“水立方”能夠奪魁，還在于它體現了諸多科技和環保特點。合理組織自然通風、循環水系統的合理開發，高科技建筑材料的廣泛應用，都共同為國家游泳中心增添了更多的時代氣息。泳池也應用了許多創新設計，如把室外空氣引入池水