天津博物馆的建筑外形为仿天鹅造型，内部由陈列展览区、藏品库房区、图书资料中心、办公与技术用房和设备用房等五大部分组成，室外设有容积为6500平方米的天鹅湖。
天津博物馆的外观由天鹅湖、天鹅颈和绿色项链构成。天鹅湖直径130米，水深从30厘米到80厘米逐渐加深，湖岸可供儿童游戏，湖水可作为消防用水。天鹅湖周围设有湖边广场，采用花岗岩铺地，并在石才下铺两层沙和灰土来为防止冰冻造成花岗岩脱落。天鹅颈由从主入口经过天鹅湖进入博物馆的回廊构成，屋顶用玻璃覆盖，在建筑表现上，就象一只白天鹅的脖子，造型丰满美丽。围绕天鹅湖的绿色项链以10度的角度缓慢倾斜，种植4米以下的植物，再铺上草坪，作为游人休憩的空间。
天津博物馆的外装修主要包括壳面和玻璃幕墙、采光窗、落地窗。壳面的外形是半径158米的球面的一部分，表面积为15539平方米，壳面由网壳、保温层、折板及镀瓷铝板构成。玻璃幕墙由天鹅两翼的侧幕墙和与天鹅颈相连的中央幕墙构成，玻璃幕墙上的铝制窗框主要沿垂直方向布置，以形成从球面边缘向天鹅湖方向的流线造型，使其与天鹅湖的水面形成有机的联系。从前厅内的空间眺望天鹅湖，一至三层所有的楼层都与外部环境浑然一体，非常壮观。采光窗为可开合式，作为前厅和三层展室的通风口还具有排烟、换气等功能。落地窗倾斜角度为69度。
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