中国国家大剧院外部为钢结构壳体，呈半椭球形，平面投影东西方向长轴长度为212.20米，南北方向短轴长度为143.64米，建筑物高度为46.285米，比人民大会堂略低3.32米，基础最深部分达到-32.5米，有10层楼那么高。大剧院壳体由18000多块钛金属板拼接而成，面积超过30000平方米，18000多块钛金属板中，只有4块形状完全一样。
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钛金属板经过特殊氧化处理，其表面金属光泽极具质感，且15年不变颜。中部为渐开式玻璃幕墙，由1200多块超白玻璃巧妙拼接而成。椭球壳体外环绕人工湖，湖面面积达3.55万平方米，各种通道和入口都设在水面下。行人需从一条80米长的水下通道进入演出大厅。
设计特点
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大剧院所处的位置在长安街南侧，在北京的核心地带。按照北京的整体规划的要求，大剧院的高度不可以超过人民大会堂的高度即46米，但是大剧院的功能要求在46米的空间里头肯定是装载不下的，所以就只能向地下发展。大剧院地下深度有10层楼那么高，有60%的建筑面
积都在地下，是北京地区公共建筑最深的地下工程，最深的地方是-32.5米，这个位置在歌剧院的舞台正下方。大剧院地下17米处，是北京永定河的古河道。
大剧院地下蕴藏着丰沛的地下水，这些地下水所产生的浮力可以托起重达100万吨的巨型航母，如此巨大的浮力足以托起整个国家大剧院。传统的解决办法是将地下水不停地抽出，但这样抽取地下水的后果是，将会在大剧院一带的地下形成一个5公里范围的"地下水漏斗"，导致周边地基发生沉降，甚至地面建筑可能出现裂缝。 为了解决这一难题，工程技术人员经过精密调研，用混凝土从地下水最高水位直到地下60米黏土层，浇筑一道地下隔水墙。这个由地下混凝土墙体形成的巨大"水桶"，可以将大剧院地基围得严严实实。水泵就在"水桶"里面将水抽走，这样，无论地基里怎么抽水，"水桶"外的地下水也不会受影响，因而周围的建筑物也就安然无恙。
6750吨钢梁架起最大穹顶。国家大剧院壳体结构由一根根弧形钢梁组成，1万8千多块钛金属板和1200多块超白透明玻璃形成3.6万平方米的巨大天穹。这个世界上最大的穹顶没有使用一根柱子支撑。穹顶外层涂有纳米材料，当雨水落到玻璃面上时，不会留下水渍。同时，纳米技术还大大降低了灰尘的附着力。 为防止雨滴落在面积有十个足球场大的穹顶上产生的噪音，清华大学进行了反复实验后。实验表明，若不进行有效的防噪处理，当雨水降落时整个穹顶内的声音将犹如万鼓齐鸣。而剧场与剧场之间、剧场与场外之间的防噪音问题，也因使用了一种叫“音闸”的技术，得到很好的解决。
川西竹海景区人工湖水冬季不结冰。国家大剧院四周围绕着人工湖。但北京的冬季气温有时会降到摄氏零度以下，如何使湖水冬季不结冰，也成为一大难题。经过勘测发现，在地下80米深处，地下水温保持在摄氏13度。于是，经过封闭的循环系统，将恒温的地下水注入湖面，冬季可以将人工湖的水温控制在零度以上。
此外，国家大剧院在几年的施工中还攻克了超深地基施工、剧场内部信号控制等一系列技术难题。
设计理念
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中国国家大剧院造型新颖、前卫，构思独特，是传统与现代、浪漫与现实的结合。大剧院庞大的椭圆外形在长安街上显得像个“天外来客”，与周遭环境的冲突让它显得十分抢眼。
这座“城市中的剧院、剧院中的城市”以一颗献给新世纪的超越想象的“湖中明珠”的奇异姿态出现。中国国家大剧院要表达的是内在的活力，是在外部宁静笼罩下的内部生机。一个简单的“蛋壳”，里面孕育着生命，大剧院代表了一个时代的结束与另一个新的时代的开始。
剧院之最
世界最大穹顶：整个壳体钢结构重达6475吨，东西向长轴跨度212.2米，是世界上最大的穹顶。
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北京最深建筑：大剧院地下最深处为-32.5米，相当于往地下挖了10层楼的深度，成为北京最深的建筑。
亚洲最大管风琴：音乐厅内的管风琴共有6500根发音管，是亚洲最大的管风琴，造价达3000万元。
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中国国家大剧院中心建筑为半椭球形钢结构壳体，东西长轴212.2米，南北短轴143.64米，
高46.68米，地下最深32.50米，周长达600余米。整个壳体风格简约大气，其表面由18398块钛金属板和1226块超白透明玻璃共同组成，两种材质经巧妙拼接呈现出唯美的曲线，营造出舞台帷幕徐徐拉开的视觉效果。
