為不影響鳥巢雄偉的鋼結構外觀造型，“鳥巢”的膜結構并不是覆蓋全身，而主要是集中在屋面。膜結構位于鋼結構上弦下部20至30厘米處，只覆蓋了彎曲部分，把看臺遮住，為觀眾“擋風遮雨”，這不僅可以節省費用，還能讓體育場內有更好的通風環境。
“鳥巢”的膜分為外層膜和內層膜兩部分。外層膜為ETFE膜，面積3.85萬平方米，由884個單元組成，主要功能為遮擋雨雪，已于2007年11月9日完成。其中最小的膜不超過1平方米，最大的約為250平方米，鋪設在“鳥巢”屋頂每個鋼架交織出來的格子中，都要安裝上鋼梁，再安裝上鋼索，和“水立方”材質相同的ETFE膜就固定在鋼索上。與“水立方”氣囊式的ETFE膜不同，“鳥巢”是單層張拉的ETFE膜。ETFE膜超強的耐紫外線功能，可以抵抗風雨的侵蝕和紫外線的照射。為滿足排水的需要，在鋼結構圍繞安裝膜的單元格上，焊了一圈排水天溝，外圍的ETFE膜和排水天溝相連，雨水就可以直接流入地面了。
外層透明膜厚度僅有0.25毫米，如果鳥兒直接落在膜上面，膜結構有可能會被鳥兒的尖爪等損壞，所以“鳥巢”還設置了停鳥線，并使用聲吶驅鳥器，讓鳥兒在“巢”外面有了“立足之地”。
內層膜PTFE膜，懸掛在主體鋼結構下層鋼梁下面，面積約5.3萬平方米，由1044個單元組成，主要作用為營造聲學效果和遮蔽鋼結構屋架內的設備及管道等。PTFE膜具有數量多、每塊面積不等、形狀各異等特點，最大展開面積約334平方米，最小展開面積1.5平方米。這些不透明的膜將雄偉的鋼架遮擋起來，觀眾就能更好地將注意力集中在比賽上，營造更好的比賽氣氛。
據介紹，PTFE膜實際上是一層“隔音幕”，加上一些聲學技術的處理，能夠較好地解決噪音問題。同時配合鋼結構構件上設置的一些吸音材料，以及場內使用的電聲擴音系統，使“鳥巢”內部的語音清晰度指數達到0.6——這個數字完全能保證坐在場內任何角落的觀眾，都能清晰地聽到廣播。另外，此內層膜可遮蔽鋼結構屋頂和屋架內的設備、管道。
“鳥巢”的膜結構不僅能為觀眾們擋風遮雨，同時也能非常好地解決透光和消除陰影的矛盾。在“鳥巢”披上膜外衣之前，曾有人質疑——“‘鳥巢’的鋼結構在陽光下是否會在場內投下巨大的陰影，從而影響比賽的正常進行？”披上了這層膜結構外衣之后，這個問題迎刃而解，PTFE膜良好的透光性能不僅解決了場內采光的問題，特殊的分子結構還消除了陽光照射后的陰影。巨大的鳥巢因為這層外衣沒有在場內投下一根鋼梁的陰影。(范帆、黎晗)
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