In 1951 wordt in het Antwerpse Middelheimpark, op initiatief van burgemeester Lode Craeybeckx, het Openluchtmuseum voor Beeldhouwkunst opgericht. Het museum, dat binnen het natuurlijke kader van het park een internationaal overzicht wil bieden van de ontwikkeling van de moderne beeldhouwkunst, is op dat moment enig in Europa. De bedoeling is een zo ruim mogelijk publiek in contact te brengen met kunst van eigen tijd, waarbij de vrije toegang, het recreatieve karakter van het park en het harmonisch samengaan van kunst en natuur als belangrijkste troeven gelden. Het domein, met een classicistisch kasteel toegeschreven aan de Franse architect Barnabé Guimard, maakt sinds 1910 deel uit van het Nachtegalenpark, een uitgestrekt openbaar park aan de zuidrand van Antwerpen op de grens met Berchem en Wilrijk. In 1963 wordt het plan opgevat een bestendig museumpaviljoen op te richten, bedoeld om de groeiende collectie kwetsbare beeldhouwwerken op een gepaste manier tentoon te stellen. Braem, die van bij de oprichting deel uitmaakt van de Raadgevende Commissie van het museum, biedt zelf aan hiervoor het ontwerp te leveren en ziet daarbij vrijwillig af van zijn ereloon. Eerder dat jaar had hij ook al het tijdelijke paviljoen van de 7e Biënnale voor Beeldhouwkunst ontworpen, rond de tentoonstelling 'Integratie van de Kunsten'.

Voor het project van het nieuwe paviljoen werkt hij nauw samen met toenmalig conservator Frans Baudouin en assistent-dienstleider Marie-Rose Bentein, die het bouwprogramma opstellen op basis van de noden van het museum. Van de architectuur wordt een dienend karakter verwacht, dat in de eerste plaats de beelden tot hun recht laat komen en dat zich inschrijft in de natuur. Hierbij gaat de voorkeur uit naar een samenstel van losse bouwdelen verbonden door galerijen, dat in fasen kan worden opgericht. Het stadsbestuur stelt aanvankelijk een terrein van 3 ha ter beschikking, tussen de zuidrand van het bestaande Middelheimpark en de Groenenborgerlaan, naast het toekomstige Seminarie. Voor deze locatie werkt Braem nog voor het einde van 1963 in schetsvorm een eerste concept uit voor een volwaardig museumgebouw, dat nauw aansluit bij het brutalisme dat hij in deze periode onder meer in de aula van de begraafplaats Ruggeveld in Deurne en het hoofdkantoor Glaverbel in Watermaal-Bosvoorde ontwikkelt. In de loop van 1964 volgt een tweede concept voor een drieledig paviljoen met patio's, vooral gekenmerkt door een houten overkapping met glulam-spanten, dat in 1965 tot een voorontwerp wordt uitgewerkt. Wanneer eind dat jaar een alternatieve inplanting op het Biënnaleterrein Middelheim-Laag wordt overwogen, ontwerpt Braem een derde concept voor een meer compact, naar binnen gericht paviljoen met een centrale patio en lichtkegels, dat op deze nieuwe locatie in een symmetrie-as met het classicistische kasteel wordt ingeplant.

Medio 1966 valt de keuze dan toch definitief op het oorspronkelijke terrein, dat nu in oppervlakte tot minder dan een derde is teruggebracht. Als gevolg van deze beslissing werkt Braem in het najaar een vierde concept voor het paviljoen uit, dat de basisprincipes van het voorontwerp uit 1964-1965 op kleinere schaal herneemt en voorziet in een gefaseerde uitvoering. Pas in februari 1968 krijgt hij officieel opdracht van het stadsbestuur om op basis van dit concept de definitieve plannen voor het huidige paviljoen als eerste fase van de bouw uit te werken. Zijn streven naar totaalkunst en symbiose met de natuur, dat het ontwerpproces van meet af aan bepaalt, leidt tot een architectuur met een organisch-biomorfe, sculpturale dynamiek, die Braem zelf als een van zijn meest geslaagde realisaties beschouwt. Wegens procedurefouten wordt de bouw pas een half jaar na de openbare aanbesteding toegewezen aan aannemer Fl. D'Hulst uit Lier. Hoewel de eerstesteenlegging al plaatsvindt op 14 juni 1969, nemen de werken pas een aanvang in oktober 1969, om precies een jaar later te worden beëindigd. Het paviljoen wordt op 12 februari 1971 ingehuldigd, met een tentoonstelling van de Japanse kunstenaar Sofu Teshigahara. Met het oog op de voltooiing van het Middelheimpaviljoen, levert Braem op last van het stadsbestuur in 1973 het voorontwerp voor de tweede en derde fase, waarvan de ontwerpschetsen al teruggaan tot 1970. Dit vijfde concept, dat een sterke invloed vertoont van de eigentijdse Japanse architectuur, stuit echter op tegenstand in het Antwerpse Schepencollege vanwege het aantal te vellen bomen en wordt uiteindelijk geruisloos afgevoerd.

In zijn eerste concept uit 1963 onderwerpt Braem de architectuur niet alleen aan het natuurlijke kader, maar verrijkt hij het landschap ook met krachtige, plastische accenten. Eenzelfde dualiteit geldt voor het interieur, waar in zichzelf besloten ruimtes met zenitale verlichting worden afgewisseld met volledig opengewerkte ruimtes met een welomlijnd perspectief op het parklandschap. In die zin is het concept verwant met het in zijn tijd toonaangevende Louisiana, een museum voor moderne kunst in het Deense Humlebæk uit 1958, ontworpen door Jørgen Bo en Vilhelm Wohlert, dat door Braem in september 1964 zal worden bezocht. Het programma omvat een toegangspaviljoen, een ruime tentoonstellingshal en een aanpalend auditorium. Hierop sluiten aan beide zijden in de lengterichting van het terrein overdekte tentoonstellingsgalerijen aan, die op hun beurt overgaan in open beeldenterrassen. Het oorspronkelijk vlakke terrein wordt volgens een organisch patroon getransformeerd tot een levendig geaccidenteerd landschap met niervormige waterpartijen waarin het gebouwencomplex zich aan de voorzijde spiegelt, glooiende grasvelden, boomformaties, ellipsvormige heuvels en steile groenwallen, slingerende wandelpaden en kanaaltjes. Open vlakten wisselen af met beschutte zones en bieden de gepaste sfeer en ruimtelijke omgeving voor de meest uiteenlopende vormen van beeldhouwkunst, geïsoleerd door een doorlopend groenscherm aan de rand van het park. Binnen dit landschappelijke kader tekenen de verschillende onderdelen van het lage gebouwencomplex zich af als een los samenstel van nevengeschikte, primaire geometrische volumes, waarvan de vorm de functie in het geheel tot uiting brengt. Het toegangspaviljoen trekt de aandacht door een transparante, kegelvormige koepel met ruimte voor een mobile. De tentoonstellingshal wordt gedomineerd door een overstekende dakstructuur, op de hoeken opgevangen door massieve, gedrongen pilotis. Als afdekking voorziet Braem hier zowel in rijen afgeronde lichtkegels als in parallelle, driehoekige lichtstraten. De wandopbouw lijkt los van de dakstructuren een organisch patroon te volgen, overwegend gesloten en met een golvend profiel. In de tentoonstellingsgalerijen worden volledig beglaasde, rechtlijnige vleugels afgewisseld met halfronde, gesloten erkers met lichtkegels. Een combinatie van baksteenmetselwerk en zichtbeton, en een bewuste affirmatie van de structurele kenmerken van de constructie, verleent het geheel zijn brutalistische esthetiek.

Het tweede concept uit 1964-1965 kiest nadrukkelijk voor één langgerekt, drieledig paviljoen met een golvend silhouet, dat zich als een autonoom plastisch volume in het parklandschap integreert. Het ontwerpproces concentreert zich in de eerste plaats op de stroomlijning van het dakprofiel, tot een dynamische opeenvolging van gebogen sheds. Dit vindt een afspiegeling in de plattegrond, waarin een soort 'gewervelde' structuur te herkennen valt. Het paviljoen is alternerend opgebouwd uit open patio's en overdekte tentoonstellingszalen met een totale oppervlakte van 1580 m² en combineert continuïteit met een veelheid aan vistas en ruimtelijke ervaringen, onder een wisselend spel van licht en schaduw. De tentoonstellingszalen die één geheel vormen met de voorliggende patio, zijn verschillend van vorm en verhouding, en beschikken telkens over een eigen ingangsportaal. Braem geeft ook al een aanzet tot een toekomstige uitbreiding, waarbij een cirkelvormige toegangsrotonde die aansluit op de toegangsweg vanuit het park, als scharnier fungeert tussen het paviljoen en een complex van dienstlokalen ten oosten ervan. Naar het park toe toont het paviljoen zich met een doorlopend, licht gebogen gevelfront van niet minder dan 170 m lengte, noord-west georiënteerd en afgeschermd door een rij berken. Het meer gefragmenteerde zuidoostelijke gevelfront spiegelt zich met golvende terrassen in een waterpartij, die in vloeiende omtreklijnen het profiel van het gebouw herhaalt. De benedenbouw vormt een omlopende horizontale band in witgeschilderde baksteen en beton, geritmeerd door de drie ingangsportalen aan de noordzijde en doorbroken door de patio's aan de zuidzijde. De bovenbouw bestaat uit een structuur van gebogen spanten in gelijmd en gelammelleerd hout, uitgetekend door de Kortrijkse Kunstwerkstede Gebroeders De Coene. De grote tentoonstellingszaal wordt afgedekt door een curvilineaire dakconstructie die vooraan uitloopt in een scherpe, 16 m hoge punt en achteraan in een gebogen shed, de twee andere door een samenstel van drie parallelle sheds. Dit organische lijnenspel wordt doorgetrokken in de curven van de patio's en de ingangsportalen.

Een wezenlijk criterium voor het algehele concept van het paviljoen is het streven naar een optimale lichtinval voor de presentatie van de kunstwerken. Door de bovenbouw naargelang van de oriëntatie in te vullen met glas of houten latwerk, wordt voor de tentoonstellingszalen een noordelijke en oostelijke lichtinval gecreëerd, beschut door de dakoverstekken en de luifel. Zo ontstaat er een levendig contrast tussen de koel belichte tentoonstellingszalen die nauwelijks buitenzicht bieden, en de zonovergoten patio's die over de waterpartij heen uitkijken op de omringende natuur. Met een letterlijke verwijzing naar Victor Horta, bedenkt Braem voor de grote tentoonstellingszaal nog een variant op dit schema. Het dak wordt daarbij opgevangen door een draagstructuur van drieledige pijlers in witgelakt staal, die via een voet in schokbeton overgaan in de benedenbouw. Hier duiken voor het eerst ook de golvende steunberen op die het definitieve ontwerp zullen bepalen.

Voor het derde concept op Middelheim-Laag uit 1966, vertrekt Braem van de bestaande vijver, die pal in het centrum van het open gazon tot een perfecte cirkelvorm wordt uitgegraven. Het paviljoen met een oppervlakte van zowat 30 bij 50 m wordt ingeplant op een eilandje midden in de vijver, dat via een dam met de oever verbonden is. De plattegrond vertoont een sterk ingesneden, getande omtrek, die vanuit een glazen patio in het centrum van het gebouw is opengewerkt. Deze vorm wordt herhaald in de omringende terrassen, die als vingers in het water grijpen en plaats bieden voor beelden in openlucht. Het ruimtelijke parcours bestaat uit een cluster van een zestal tentoonstellingszalen van verschillende grootte en hoogte, dat in een dubbele circulatie van de hoge toegangshal met balie en toiletten aan de oostzijde, naar de grote tentoonstellingszaal aan de westzijde leidt. Uitwendig wordt het volume bepaald door het ritme en de verhoudingen van de gesloten, blokvormige volumes met afgeronde hoeken en een overstekende, zwevende dakplaat. Het meest opmerkelijk aan de opbouw is echter het dozijn afgeknotte lichtkegels met een geringde structuur, die als plastische accenten van uiteenlopende grootte tot 7 m hoog boven het dak uitrijzen. Braem opteert voor gesloten, witgeschilderde baksteenvolumes met een doorlopende glazen lichtstrip onder de dakrand, die opnieuw het hierboven vermelde Louisiana in herinnering brengen. De golvende steunberen die hij in het tweede concept uit 1964-1965 introduceert, worden ook hier toegepast om de structuur, het verticale ritme en de organische lijnvoering van de wandopbouw te versterken.

In de tentoonstellingszalen speelt hij uit plastisch oogpunt de betonnen skeletstructuur van het dak uit, gedragen door zes kruisvormige pijlers die de patio afbakenen. Van het eerste concept uit 1963, herneemt hij de picture windows, die hier vooral de overgangszones in het parcours van tentoonstellingszalen openbreken, om de sculpturen op de buitenterrassen bij het interieur te betrekken. Zo creëert hij een hoofdzakelijk in zichzelf besloten, continue ruimte met zenitale verlichting, die vooral betrokken is op de inwendige patio, maar toch ook een discreet en zorgvuldig geregisseerd perspectief biedt op het omringende park. De organische inpassing in het landschap uit de twee voorgaande concepten, wordt hier ingeruild voor een haast klassiek-barokke symmetrieas, die het paviljoen en het classicistische kasteel, elk volledig omringd door water, pal tegenover elkaar plaatst, aan beide uiteinden van een open grasvlakte.

In het vierde concept uit 1966 grijpt Braem terug naar de harmonische eenheid en de organische verstrengeling tussen architectuur en natuur. Hiertoe wordt de volledige beschikbare zone van de parkuitbreiding landschappelijk omgevormd tot een ongelijkmatig glooiende valei in een ingesnoerde en ongelijke achtvorm, met een waterpartij in het middelpunt van beide helften. Expliciet verwijzend naar het museum Louisiana, beschrijft Braem deze aanleg in zijn toelichting bij het ontwerp als een "openlucht tentoonstellingsruimte", een ruimtelijke compositie met op diverse hoogten grasheuveltjes, sokkels, beeldenterrassen en trapjes, omringd door wandelpaden. Op het hoogste plateau van deze compositie rijst het paviljoen in een halve cirkel als het ware uit de bodem op, als een spontaan gegroeide nederzetting. Het volgt de curve van de grootste helft van de achtvorm, waarbij twee hoogstammige coniferen niet alleen worden gespaard, maar als krachtige verticale accenten in de overwegend horizontale compositie worden geïncorporeerd. De architectuur van het paviljoen vormt een keten van een zevental onderscheiden bouwdelen, organismen die zich als een vertebraat spontaan lijken te hebben vermenigvuldigd vanuit een gemeenschappelijk embryo.

Dit concept herneemt weliswaar op kleinere schaal enkele basisprincipes van het voorontwerp van 1964, vooral dan de schakeling van volumes tot één organisch geheel, maar levert op andere punten ook een wezenlijk verschil. Het alterneren van tentoonstellingszalen en patio's met contrasten in licht en perspectief, wordt hier vervangen door een continu ruimtelijk parcours van min of meer rechthoekige, in hoogte verschillende binnenruimten, die ook nog eens ten opzichte van elkaar verspringen en waarop drie kleine patio's zijn geënt. Het uitgangspunt is ditmaal een afwisseling van grote tentoonstellingszalen met bovenlicht, en lage overgangsruimten met zijlicht, waarbij het uitzicht op de natuur tot een strikt minimum wordt herleid. De totale lengte bedraagt zowat 100 m, de hoogte van de bouwdelen gerekend tot aan de zoldering varieert van 3 tot 6 m. Dit principe herhaalt zich in het silhouet, waar vooral de dwarse, vleugelvormige bovenlichten dragers worden van het sculpturale karakter en de biomorfe expressie van het paviljoen. Volgens een doorgedreven constructieve logica rusten de bovenlichten op een stelsel van licht aan de buitenwanden ontspringende, golvende steunberen "als de expressie van de erbinnen heersende krachten". Dit ritme wordt enkel doorbroken door de compacte boognissen voor indirecte zijlicht en de brede curven van de patiowanden. Die herbergen de ingang aan de oostzijde en een wandreliëf van Oscar Jespers aan de westzijde, terwijl de derde als een intiem besloten spiraal doordringt in de noordzijde. Het monumentale reliëf in gedreven koper 'België aan de arbeid' door Oscar Jespers is afkomstig van het Belgisch paviljoen op de Wereldtentoonstelling van 1937 in Parijs. Het maakt ook nog deel uit van het concept voor de tweede en derde fase uit 1973, maar wordt uiteindelijk geïncorporeerd in de nieuwe Stadsschouwburg in Antwerpen. In de definitieve plannen voor de eerste fase, ondergaat de architectuur van het paviljoen nog een zekere vereenvoudiging. Het vloeiend gebogen volume met een oppervlakte van ongeveer 40 bij 14 m, omvat een toegangsgedeelte met een ontvangstbalie en een stapelruimte op de mezzanine, een kantoor, een vestiaire en toiletten, en één ruime tentoonstellingszaal met een niveauverschil. De curve van de noordwand wordt aan de oostzijde in een kwartcirkel doorgetrokken tot een patio, die enerzijds de toegang in een uitnodigend gebaar omarmt en anderzijds de binnenarchitectuur doortrekt in de buitenarchitectuur. Bij de westzijde sluit een lagere portiek aan, als overgang naar de toekomstige volgende bouwfase. Zowel het kantoor aan de zuidzijde als de toiletten aan de noordzijde springen uit het hoofdvolume als lagere, zijdelings verlichte annexen met blinde frontgevels. Braem zelf beschrijft de 'totaalvorm' als het resultaat van het streven naar een gelijkmatige verlichting door middel van gebogen dakvlakken die het zonlicht opvangen en binnenin verspreiden. Door deze drie parallelle bovenlichten te combineren met waterspuwers, ontstaat het beeld van meeuwen die van de dakrand opstijgen. De oost- en westwand zijn volledig beglaasd, de noordwand wordt doorbroken door drie indirect verlichte, verticale boognissen met podia voor beelden, de zuidwand door twee ovale raamnissen voor kleinere sculpturen. Het paviljoen heeft een gemengde structuur van baksteen en beton voor de fundering, de dakconstructie en de bovenlichten, met schrijnwerk in afzelia, een roodbruine tegelvloer en zwart sanitair. De volledig witte beschildering herleidt het gebouw tot een monoliet die zich scherp aftekent tegen de natuur en de hemel, en neutraliseert de textuureffecten. Naast het inbouwmeubilair, ontwerpt Braem in 1970 ook een organisch vormgegeven, houten zitbank voor het toegangsgedeelte. Het concept voor de tweede en derde fase uit 1973 voegt twee extra tentoonstellingszalen aan het paviljoen toe, telkens voorafgegaan door een wat ruimere patio, waardoor een ruimtelijk parcours ontstaat vergelijkbaar met het tweede concept uit 1964-1965. De eerste tentoonstellingszaal is een lage ruimte gevormd door drie getrapte segmenten met zijlicht, die de vormgeving van het bestaande paviljoen doortrekken. De tweede, grote tentoonstellingszaal neemt de vorm van een tent of schrijn aan, met een bovenlicht op 20 m hoogte in de nok en zijwanden die in een lange, golvende beweging uitwaaieren tot op de begane grond. De tussenliggende patio wordt afgesloten door een gebogen wand met halfronde nissen. Het aldus voltooide Middelheimpaviljoen vormt een perfecte halve cirkel, waarbij de ingangspatio en de grote zaal precies op dezelfde as liggen, met de waterpartij in het centrum.

Het paviljoen is weliswaar intact bewaard, doch jammer genoeg werd het achterste deel van de ruimte afgesloten met een scheidingswand, wat niet alleen de inwendige verhoudingen verstoort, maar volkomen breekt met het concept van het gebouw, dat met zijn opengewerkte fronten juist bedoeld was om doorheen te lopen. Het visuele contact met het omringende landschap werd hierdoor meer dan gehalveerd, en bovendien kreeg het paviljoen zo onbedoeld een 'achterkant' die er wat verwaarloosd bijligt. In het interieur bevindt zich nog een door Renaat Braem ontworpen houten zitbank.