2003年7月29日，国家游泳中心的设计方案正式确定为国家游泳中心建筑设计方案竞赛的B04号参赛方案。也就是现在的“水立方”设计方案。该方案由中国建筑工程总公司、澳大利亚PTW公司、澳大利亚ARUP公司组成的联合体设计。
很多人并不知道，在提交“水立方”设计方案之前，这个联合体设计的国家游泳中心是一个波浪形状的建筑。
设计单位之一的中建国际（深圳）设计顾问有限公司总建筑师郑方回忆“水立方”设计工作时说，设计团队在最初的阶段取得的共识仅仅是“国家游泳中心必须体现水的主题”。然而，这个主题如何体现，并没有一个非常明确的想法。
最初，设计团队提出了“波浪形”的设计理念，澳大利亚的一位设计师非常喜欢这个设计，他曾经这样说道：“想想一下，我的孩子在海岸边，沙滩上奔跑，旁边海浪翻涌，这是一幅怎样的美景。”然而，当国家体育场“鸟巢”的设计方案最终确定并公布后，团队便开始重新审视国家游泳中心的设计方案。
熟悉北京奥林匹克中心区规划的人都知道，国家游泳中心位于国家体育场“鸟巢”西侧，分立北京城市中轴线两侧。国家体育场“鸟巢”椭圆形的设计方案公布后，联合体的设计师们便将国家游泳中心的设计与“鸟巢”纳入统一的区域景观予以考虑。赵小钧等三名中方设计师以东方人特有的视角和思维提出了方形建筑的设计思想，在他们看来，东方人更愿意以一种含蓄、平静的方式来表达对水的理解——“水，也可以是方的，不一定都是波浪。”国家体育场的圆加上国家游泳中心的方，“天圆地方”的设计理念就这样逐渐成型。
中方设计师的“方盒子”造型设计得到了澳大利亚设计师的认可，具有悉尼奥运会场馆设计经验的澳大利亚PTW公司的设计师们在此基础上，为这个“方盒子”加入了符合奥运会比赛需求的细化设计，而澳大利亚ARUP公司的设计师们则创造性地为这个方盒子加入了不规则的钢结构和膜结构创意。团队的智慧最终使得“水立方”浮出水面。
在提交了最终的设计方案之后，考虑到建筑的建设和运营成本，“水立方”也曾经经历过优化设计，最初35米高、194米见方正方体被瘦身为31米高、177米见方的建筑。郑方说，瘦身后，“水立方”的设计更加符合节俭办奥运的方针，不但降低了造价，后期的能耗、维护等运营成本也随之降低。
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