前端工程設計之概念與應用

前言

前端工程設計 (FEED, Front-End Engineering Design)，是工程設計發包上常用來解決以設計為主導、投資額鉅大、技術複雜、管理難度大等特點專案的方法，在這些專案中，規劃與設計人員必須根據自己的經驗與數據對專案進行風險評估、設計並施工。也因為如此，一般 FEED多用於石油天然氣開採項目上，在整個工程項目決定開始前，委由專業的顧問公司進行前端工程設計與評估。所以，也可以說，FEED就是在細部設計前，加入更多系統設計專家的規劃階段(Planning)。

近年來，在半導體廠房的規劃設計上，也有設計顧問公司開始提供前端規劃的分析，例如：提供相關產業的資料分析與空間規劃、可行性分析與成本模型，為業主廠房的選址，提供先期規劃與建議。

目前在台積各專案的規劃設計上，也面臨了與上述類似的問題，像是廠房的規模變大、投資金額增加、製程需求的複雜度與不確定性增加、空間的利用率與彈性的提升、以及建築物多變及多樣的使用需求。所以，如何在有限的資源與時間內，滿足上述的這些條件，完成規劃設計與發包，找出專案最大的效益，或許，FEED的概念可以讓我們作為參考與借鏡。

以下我們將針對FEED的概念、執行的原則與產出，做初步的介紹。並且作為我們的建廠專案，可能應用的範圍與參考。

FEED=Professional Planning

「在建廠的專案中，百分之八十以上的成本是在早期規劃階段所定義，這就是所謂的前端工程設計(FEED)階段」^註1，換句話說，大部分的決策、後來的設計任務、設計的可用性與表現、整體廠房或各廠務系統的成本效率，大都在此一FEED階段被決定，這也可以由專案各階段影響成本變化的能力分析上，得到一些概念 圖一。 簡單來說，降低工程風險、保持連貫的設計、制定專案執行策略與節省專案成本，就是FEED想要為專案所帶來的效益。

圖一、Ability to influence changes in cost of a generic project

FEED應用的階段主要指的是，從基地設計概念與想法開始，到發包與細部設計中間的這段過程。對照目前各專案的狀況，就是概念設計(Conceptual Design) 與規劃(Planning)的這個階段 圖二。最主要是將問題提出，定義專案範疇、責任相關的參與者(stakeholders, 如IE, AMHS, Design team, etc…)、專案的風險與效益，以及藉由早期的建築物與廠務設施的規劃，迅速準備和評估多種設計方案，以及早期的成本與時程估算，讓決策者可以有以工程資料為基礎的多種選擇。另一方面，利用3D模型的建置，對專案設計概念、空間規劃、施工、營運維護、採購項目資料等，獲得更清楚與完整的評估。

圖二、FEED position in plant life time cycle

FEED執行流程與應用

在目前新建廠的專案上，設計上大概是分成三個階段來執行，由一開始的規劃(Planning)、設計(Design)與施工階段(Construction)的設計套圖，按階段依序來進行。 圖三實際FEED的執行上可分為幾個階段，包括設計的啟動(Trigger of the design)、執行(Implementing)、設計檢核(Early & Critical Design Review)與總結(Summary and Conclusions) 圖四。

圖三、Three-phase Design Process

圖四、FEED Design Lifecycle

設計的啟動

首先是設計的啟動，在專案的一開始，也就是在早期的概念評估階段，目標與任務的訂定是很重要的，這階段決定了接下來的設計是容易或困難、昂貴或便宜、問題是多或是少，所以此時期也可以說是問題定義期(problem identification stage)，也是專案成敗的重要時期之一。我們可分為幾個要項進行：

基地的確認與評估，也就是BEDD (basic engineering design data)，主要項目包括位址、地形，氣候、語言、環境、法規等等。

工程可行性評估，必須發展多種不同的設計概念，並評估其工程可行性，例如，提供多樣的基地規劃(Site Plan)，每個規劃，有其不同的考量與需求面向。在此階段，必須做最初步的方向訂定與決策。而當地或國際的法規規定，是此階段的一個重要的參考與決定元素。

設計核准，溝通與判斷設計是否初步符合使用者的需求，提出風險與機會，初步的成本估算(初估, 約在正負百分之二十至三十的範圍內)，並經由早期的設計檢核，獲致共識並確定方向。

執行

其次是FEED的執行，這是一個重要階段，確認專案成員後，開始進行設計規劃，主要項目包括：

需求的確認，必須定義專案的範疇、製程需求的估算、設計的規範等等。通常包括廠房架構、功能要求規格，以及各區域與系統之設計模組範本標準。

工程概念設計，包含土木與結構設計、管線與儀表流程圖(P&ID)、設計容量(Capacity)的評估、管線與空間規劃、危害物質與操作的設計、發包的技術規範、物料清單、長交期的設備等，以提供更精確的成本估算。

3D 模型，由於FEED專案需要精準的工程評估，所以，一般而言，會針對整個的設備與管路配置，根據需求或是標準化與模組化的設計，建立3D模型。此模型不僅僅是為了空間與管路設計上的檢核，同時也是為了能有效掌握設備、材料等數量，以有效的估算成本。

專案成本與時程的估算，以成本而言，依據概念設計所掌握的工程資料，提供做為發包的依據。其與專案實際發生的費用，大約會在正負百分之五至十的範圍內。在專案時程上，建立專案過程中重大事件、時程點、檢驗點或階段分界點，以了解目前的位置與預期的目標，協助發現專案的績效與解決可能的延誤。

設計檢核與總結

最後經由相關決策者、使用者與設計人員根據FEED的報告檢討專案策略與支出，並做最後的調整與確認。所有的過程均需以文件方式提出並留存，其用意不僅僅只是文件歸檔，保存所有的專案工程圖、3D模型和檔案，作為下個專案的基準依據，才是FEED設計階段最主要工作。

所有這些相關的工程設計，最主要是為了定義並澄清整個專案的資本支出(特別是那些以控制資本支出為導向的專案)，需求的資源(至少是讓資源控制在一個合理化的範圍)，在此一階段的設計檢核，提供數據化，且符合工程規範的概念設計，作為發包以及細部設計的依據，同時也可降低工程風險，並確保設計上的連貫，制定策略，輔助決策者做出正確的判斷。

台積電新建廠專案的做法

在台積的建廠專案中，包括規劃、設計與施工等三個階段都會牽涉到設計的過程。規劃部所做的，是在專案初期提供管理與決策者不同的廠房配置概念、優缺點分析與成本概算。同樣的，如果要同時發覺出問題點，例如廠房設計的概念是否符合需求，或是時程的規劃能否配合產能，或是各個專案間的資源分配產生的問題等等，這些問題的發生，有時候往往只是因為缺少了一點點決策前的工程評估資料而產生。所以，如果能將部份的設計工作提早至規劃階段進行，雖需投入較多之設計人力，然而卻有助於決策更精準，發包數量更正確，後續變更較少。另外，在引導決策者與設計者做判斷時，若配合利用5D (Crystal)，對整體廠房的管路與空間用視覺化呈現的方式，可以讓各個領域專業的系統設計者，能夠快速的在發包與細部設計前，了解每個專案的特性與需求。

當然，在廠房設計概念的重複性高，專案時程緊迫，產能需求變化性高，以及前端設計的人員不足等因素之下，要完整的分析並完成大量的前端設計資料，是很困難的。所以，利用廠房的各項數據化資料，找出專案間之關鍵績效指標(KPI, Key performance Index)，甚或採取複製廠房的方式(Copy Exactly)，才有助於解決目前專案多且資源不足的窘況。

結論

其實，FEED設計概念與一般的專案設計概念並無二致，只是FEED更著重於要在初期規劃時，擴大設計人員的參與層面，預先找出且定義設計相關的參數，例如，如何在有限的資訊下，提供設計假說與範疇，或是如何更明確的檢視專案效益與風險等等的問題。如此，在各專案完成後，有效累積更多廠房相關的工程與設計參數，在面對未來先進製程甚或是450mm的廠房設計上，提供作為前期規劃與決策的基礎。同時，也希望藉此達到節省成本，更快、更安全的設計。整體而言，這樣的做法是有助於提升整個專案的投資報酬率(ROI, Return On Investment)。