天津图书馆文化中心馆是天津图书馆的主体馆区， 是由日本山本理显设计所与天津市城市规划设计研究院建筑分院联合设计。总建筑面积5.7万平方米，分为地上五层，地下一层。它的建筑设计立意为“智慧乐园”，强调图书馆是承载智慧的建筑，在功能上实现了老年和青少年阅览共享，使其成为市民热爱知识的乐园。 建筑内部结合阅览功能设置了七个采光中庭，寓意图书馆是知识的天堂。该建筑造型简洁、大气、现代， 对防灾、节能、书本流线等技术问题均有独到的设计。建筑内部是一个非对称的大敞开空间。 首层设置了南北贯穿的通廊式共享空间， 以两个开放的大型入口与北侧湖畔广场、 南侧城市空间相互连通，人们可以自由进入图书馆。天津图书馆文化中心馆定位于市民阅读服务中心， 面向广大市民提供普及型文献服务，文化中心馆区设计藏书达到600万册，开架阅览100万册图书、3500种期刊、500种报纸。文化中心馆涵盖省级图书馆的全部功能，包括书、刊、报的外借阅览， 视听资料欣赏，数字资源加工利用，以及工具书、历史文献资料查阅，珍本图书展示，还有古籍文献保管、 整理、修复，还包括视障读者、少儿读者的服务和政府信息的查阅等。为读者提供全面的公益性图书馆服务环境。在阅览、典籍收藏、文献服务等传统服务功能基础上， 增加音乐图书馆服务，开辟音乐培训教学区、音乐普及体验欣赏区、专业欣赏和深度体验区、音乐资料收藏等区四个区域，普及音乐艺术， 传播礼乐文化，提高公众对高雅艺术的欣赏水平，培育天津文化艺术消费群体，提高图书馆的服务档次和水平，进一步发挥图书馆的社会教育职能。
天津图书馆复康路馆坐落于风景秀丽的天津水上公园以北，地处天津市文教科研规划区内。占地近50亩，建筑面积3.2万平方米，可容纳藏书500万册。 建筑采用高书库、 低阅览的楼群式总体布局，平面呈“工”字型，正立面呈“山”字型，对称严谨，错落有序，富有中华民族文化传统特色。复康路馆定位于专业信息服务中心， 一方面提供大众化专业文献服务，另一方面积极开展专业文献深加工服务，在满足市民专业信息需求的基础上，努力探索公共图书馆专业信息服务的新模式。
天津图书馆海河教育园馆坐落于天津市津南区海河教园区腹地，风景秀丽，学术氛围浓郁。总建筑面积3.2万平方米，设计藏书总量为100万册，定位于大学生文化素质教育中心，以社会科学、文艺类读物服务为主，满足园区师生课外阅读及当地居民基本阅读需求。海河教育园馆的成立，是公共文化系统与教育系统携手推进公共文化服务体系建设的一次重大举措。
文化中心馆区与复康路馆区、海河教育园馆区组成天津图书馆集团，馆舍面积共12万平米，开架借阅书刊246万册，阅览座位5700多个，总设计藏书容量达到1200万册的规模，在国内省级公共图书馆中位居前列。
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