“水立方”不僅是一幢優美和複雜的建築，她還能激發人們的靈感和熱情，豐富人們的生活，為人們提供記憶的載體。因此設計中不僅利用水的裝飾作用，同時還利用其獨特的微觀結構。採用在整個建築內外層包裹的ETFE膜（乙烯-四氟乙烯共聚物）是一種輕質新型材料，具有有效的熱學效能和透光性，可以調節室內環境，冬季保溫、夏季散熱，而且還會避免建築結構受到游泳中心內部環境的侵蝕。

國際上在建築使用膜結構時，多用的是PTFE膜，這是一種纖維材料，特點是不透明，但是，使用技術比較成熟。而“水立方”使用的是ETFE膜，這是一種透明膜，能為場館內帶來更多的自然光。在國內對這種薄膜結構的理論研究幾乎就是空白。

2006年德國世界盃主要賽場之一的慕尼黑安聯體育場也使用了ETFE氣枕式外牆，但與水立方相比，兩者的區別在於，德國安聯體育場的氣枕覆蓋面積為6萬平方米，而水立方則達到為10萬平方米；安聯運動場是單層氣枕並且是規則排列的，水立方則是雙層氣枕，並且幾乎沒有形狀相同的兩個氣枕。

按照設計方案，水立方的內外立面膜結構共由3065個氣枕組成（其中最小的1－2平方米，最大的達到70平方米），覆蓋面積達到10萬平方米，展開面積達到26萬平方米，是世界上規模最大的膜結構工程，也是惟一一個完全由膜結構來進行全封閉的大型公共建築。

無論對設計還是施工、使用都是一個極大的挑戰，對ETFE膜的材料、通風空調、防火、聲、光、電的控制等技術提出了一個難度很大的課題。